微納衛(wèi)星的幾種在軌發(fā)射方法

徐映霞 （北京空間科技信息研究所）

微納衛(wèi)星的幾種在軌發(fā)射方法

徐映霞 （北京空間科技信息研究所）

過去的幾年中，低成本、微型化器件的發(fā)展促進了微納衛(wèi)星的蓬勃發(fā)展，研發(fā)和飛行的微納衛(wèi)星數(shù)量顯著增加，其用途包括對地觀測、技術驗證、組成星座和行星際任務。然而，微納衛(wèi)星進入空間的能力相對滯后，雖然各國開展了一些研究計劃，為微納衛(wèi)星提供發(fā)射機會，但仍有不少微納衛(wèi)星無法快速進入空間，得到驗證。阻礙進入空間能力快速發(fā)展的原因是，微納衛(wèi)星發(fā)射不是一個有利可圖的市場，降低成本是主要問題。

使微納衛(wèi)星快速進入空間的方法研究大約開始于1999年，最初都是在運載火箭上面做文章，通過改進運載火箭接口以及使用二級載荷適配器（ESPA），利用運載火箭的多余推力，將微納衛(wèi)星送入軌道。但是這些常規(guī)發(fā)射方式仍然不能滿足微納衛(wèi)星迅速增長的進入空間需求，而且發(fā)射價格過高，難以承受，因而帶動了非常規(guī)方法進入空間的研究。

常規(guī)發(fā)射方式指通過運載火箭及上面級將微納衛(wèi)星送入軌道的方式，現(xiàn)在較為成熟；非常規(guī)發(fā)射方式也稱在軌發(fā)射方式，即指多個航天器一同搭乘運載火箭進入軌道，并與運載火箭及上面級分離后，在適當?shù)臅r機由其中一個在空間運行的航天器再次釋放，使另一個或另多個航天器進入軌道的方式。這種方式的優(yōu)勢是費用更低、機會更多，并可以選擇發(fā)射時間，在需要的時候?qū)⑽⒓{衛(wèi)星送入軌道。在軌發(fā)射方式是近幾年為應對迅猛增長的微納衛(wèi)星發(fā)射市場而發(fā)展起來的，它的出現(xiàn)為微納衛(wèi)星進入空間提供了大量機會。雖然之前偶爾有空間探測器或者衛(wèi)星通過這種方式實現(xiàn)其任務需要，但基本都是為更好地完成同一任務所采取的措施，不包含在本文所介紹的在軌發(fā)射方式中。

1 空間站釋放方式

空間站釋放方式經(jīng)過2012－2013年的試驗階段，從2014年開始進入大規(guī)模應用階段，每年維持在數(shù)十顆的釋放數(shù)量，未來前景也十分看好。目前，空間站釋放的商業(yè)服務由美國納萊克斯公司（NanoRacks）和空間飛行公司（Spaceflight）以及日本的載人航天系統(tǒng)公司（JAMSS）提供，其需求遠超出納萊克斯公司的預期，并已接近目前“國際空間站”可提供的極限。因此，納萊克斯公司正在研發(fā)新的“卡貝爾”（Kaber）釋放裝置，將每次釋放的衛(wèi)星數(shù)量由8顆增加到12顆。此外，納萊克斯公司也在考慮建立新的氣閘艙（Bishop），解決目前遇到的瓶頸問題。

從技術角度考慮，空間站釋放主要涉及兩個方面，一是要有釋放策略，二是需要硬件裝置。

釋放策略主要從安全性考慮，包括釋放后的微納衛(wèi)星對空間站可能產(chǎn)生的碰撞威脅、小衛(wèi)星間的相互碰撞、對空間站可能造成的通信干擾以及可能產(chǎn)生的空間碎片等問題，因此需要確定釋放方向和速度增量，確保微納衛(wèi)星的軌道衰減較快，軌道高度一直低于空間站；同時控制微納衛(wèi)星的加電時間，保證足夠的安全距離，使空間站通信不受影響。

空間站釋放的硬件裝置一般包括微納衛(wèi)星安裝容器、分離機構和控制電路等幾部分，目前，空間站使用的釋放硬件有3種：日本宇宙航空研究開發(fā)機構（JAXA）研制的小衛(wèi)星軌道釋放裝置（J-SSOD，2012年開始使用）、納萊克斯公司研制的立方體衛(wèi)星釋放器（NRCSD，2014年開始使用）和美國航空航天局（NASA）約翰遜航天中心（JSC）研制的Cyclops釋放系統(tǒng)（2014年底首次使用）。前兩種用于釋放立方體納衛(wèi)星，后一種用于釋放50～100千克級的微衛(wèi)星。納萊克斯公司正在考慮建造的氣閘艙可容納50顆立方體衛(wèi)星以及更大的微衛(wèi)星，并有希望成為航天員出艙活動的氣閘室。

空間站釋放微納衛(wèi)星

空間站釋放方式的應用情況

2 利用貨運飛船的方式

這種在軌發(fā)射方式是在空間站發(fā)射方式基礎上發(fā)展起來的，它利用貨運飛船推進系統(tǒng)以及攜帶的應急燃料，在完成任務的返回途中機動到預期軌道（可進入500km圓軌道），將微納衛(wèi)星釋放到空間，解決空間站釋放壽命短、軌道單一、尺寸受限等問題。

Altius空間機械公司和納萊克斯公司負責這種方式所需的技術開發(fā)，包括艙口吊籃釋放系統(tǒng)、釋放控制器及釋放監(jiān)視數(shù)字系統(tǒng)。這個釋放系統(tǒng)最多可容納40顆3U立方體衛(wèi)星，或者安裝1顆60cm×60cm×100cm級的微衛(wèi)星，釋放控制器實現(xiàn)微納衛(wèi)星釋放、監(jiān)視的冗余控制，以及與貨運飛船的通信聯(lián)絡，接收電源和指令信號等。

艙口吊籃系統(tǒng)的使用簡單方便，地面發(fā)射時裝入貨運飛船，完成空間站貨運任務后，由航天員將艙口吊籃安裝固緊在貨運飛船艙門上，按正常程序脫離空間站，完成貨運飛船的附加任務，然后機動到釋放軌道，開始微納衛(wèi)星的釋放操作，同時下傳釋放數(shù)據(jù)，地面人員還可以根據(jù)下傳數(shù)據(jù)臨時調(diào)整釋放程序，待所有攜帶的微納衛(wèi)星釋放后，貨運飛船按正常規(guī)程執(zhí)行離軌點火操作。

有效載荷的組合安裝

艙口吊籃系統(tǒng)還可實現(xiàn)無星上推進系統(tǒng)的微納衛(wèi)星多軌道面、空間均布的多星星座釋放，通過在貨運飛船外部安裝載荷，如相機、傳感器、照明器和通信中繼系統(tǒng)，可以實現(xiàn)目標追蹤觀測服務，顯著提高觀測精度；另外還可以通過外部安裝機械操控裝置，實現(xiàn)目標捕獲。

這種方式的潛在問題和挑戰(zhàn)是不僅需要設計微納衛(wèi)星釋放軌道，還要考慮軌道衰減情況，需要建立與貨運飛船推進能力相匹配的切實可行的安全策略，最大限度降低與貨運飛船及空間站碰撞的風險。

“精靈”子衛(wèi)星（左圖）及其釋放（右圖）

3 微型母子衛(wèi)星釋放方式

目前，微型母子衛(wèi)星釋放主要在低軌應用，母衛(wèi)星一般由兩部分組成：衛(wèi)星功能部分和子衛(wèi)星釋放器。各子衛(wèi)星釋放后，可以與母衛(wèi)星共同完成同一任務，也可以獨立完成各自的任務。

美國康奈爾大學的“凱克衛(wèi)星”（KickSat）就是母子衛(wèi)星共同完成同一任務的例子。這個項目于2011年啟動，以大幅降低成本、使空間活動人人可及為目標，歷時2年多，完成了芯片子衛(wèi)星“精靈”（Spirit，核心技術包括芯片衛(wèi)星、芯片衛(wèi)星釋放裝置）和軟件定義無線電（SDR）地面站的研制。雖然每顆芯片衛(wèi)星質(zhì)量僅為5g，但功能齊全，成本有望低于1000美元，衛(wèi)星平臺均使用芯片級部件，裝有科學研究傳感器或相機。質(zhì)量為5.5kg的“凱克衛(wèi)星”單次可釋放多達200顆芯片子衛(wèi)星，特別適合于大氣和空間環(huán)境的多點云測量等科學任務。

2 0 1 4年4月，“凱克衛(wèi)星”搭載“獵鷹”（Falcon）火箭發(fā)射進入高度325km、傾角51.5°的軌道。與火箭分離后，建立三軸姿態(tài)，工作正常。為避免干擾“龍”飛船和“國際空間站”的運行，NASA要求子衛(wèi)星的釋放時間設定在16天后。然而，單粒子翻轉(zhuǎn)使母衛(wèi)星控制器重置，計時重新開始，釋放時間推遲，并且母衛(wèi)星電壓不足以支持接收地面指令，使母衛(wèi)星再入前未能完成“精靈”子衛(wèi)星的釋放。雖然這次嘗試未獲成功，但獲得了一定的經(jīng)驗，康奈爾大學將繼續(xù)進行探索試驗。

意大利羅馬大學的“大學衛(wèi)星”（Unisat）計劃是另一個微型母子衛(wèi)星釋放的例子。2011年，羅馬大學開始與美國摩爾海德州立大學開展微型母子衛(wèi)星釋放的研究，并在2顆“大學衛(wèi)星”（Unisat－5、6）上付諸實施，分別于2013年和2014年發(fā)射。大學衛(wèi)星－5首次成功實施了微型母子衛(wèi)星的釋放，攜帶的3個皮納衛(wèi)星軌道釋放裝置，分別釋放了4顆飛衛(wèi)星和3顆立方體衛(wèi)星，其中6顆衛(wèi)星工作正常，這些衛(wèi)星獨立完成各自的任務。大學衛(wèi)星－6攜帶了2個納衛(wèi)星軌道釋放裝置，由星上自主系統(tǒng)全自動完成4顆立方體衛(wèi)星的釋放，地面指令僅作為自主系統(tǒng)的備份。

我國在2015年9月的長征－6火箭“一箭二十星”發(fā)射中，也首次實現(xiàn)了微型母子衛(wèi)星釋放，驗證了立方體衛(wèi)星分離機構、控制部件及算法、飛衛(wèi)星集群飛行、組網(wǎng)及超低功率星地通信、星間通信等技術。

4 利用商業(yè)地球靜止軌道平臺的寄宿衛(wèi)星發(fā)射方式

2000年代后期，商業(yè)衛(wèi)星數(shù)量已超過政府和軍用衛(wèi)星，近年來商業(yè)衛(wèi)星與政府衛(wèi)星的比例更是達到3～5：1。此外，進入市場的衛(wèi)星服務商越來越多，形成的競爭態(tài)勢有利于降低成本，商業(yè)發(fā)射機會也較為頻繁。在這種形勢下提出了利用商業(yè)地球靜止軌道（GEO）平臺的寄宿衛(wèi)星發(fā)射概念，指利用通信衛(wèi)星平臺的多余能力，將微小衛(wèi)星或納衛(wèi)星集成到一個商業(yè)GEO通信衛(wèi)星的主平臺結構中，在地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）的上升段或到達地球靜止帶之后擇機再行釋放的方法。

這種不需要購買運載火箭服務的概念很具吸引力，2008年，軌道科學公司（OSC，現(xiàn)已更名為軌道-ATK公司）和其GEO商業(yè)通信衛(wèi)星合作伙伴提出利用商業(yè)通信衛(wèi)星任務的高頻度和準時發(fā)射的特點、為微納衛(wèi)星提供低成本進入空間的新穎概念，并利用星－2（Star－2）衛(wèi)星平臺進行此概念及設想的實施研究，通過對星－2衛(wèi)星平臺進行詳細設計更改和研究，確保實現(xiàn)從主衛(wèi)星的天底甲板處釋放微小衛(wèi)星，或者通過在“星”系列平臺安裝立方體衛(wèi)星釋放裝置，完成納衛(wèi)星的釋放。

利用商業(yè)GEO平臺的寄宿衛(wèi)星發(fā)射概念和釋放順序

將GEO衛(wèi)星作為發(fā)射平臺的概念，對寄宿微納衛(wèi)星十分有利，但帶來了常規(guī)發(fā)射方式不曾遇到的特有技術挑戰(zhàn)和程序挑戰(zhàn)。首當其沖的技術難點就在于對主衛(wèi)星的影響，如對主衛(wèi)星抗力學環(huán)境性能的影響、對主衛(wèi)星從GTO軌道提升到GEO軌道的影響、對主衛(wèi)星燃料壽命的影響等。程序挑戰(zhàn)包括不同組織、不同目標和不同限制之間的協(xié)調(diào)和安排，以及對主衛(wèi)星保險費率的影響。

軌道科學公司對這種方式給主衛(wèi)星任務帶來的影響，以及分離后微納衛(wèi)星和主衛(wèi)星的姿態(tài)控制進行了分析。微納衛(wèi)星分離過程對主衛(wèi)星任務造成的影響分析，本質(zhì)上與太陽電池翼和天線反射器的展開類似，都涉及質(zhì)量特性的改變以及撓性運動模式的改變，但微衛(wèi)星分離還涉及質(zhì)量的變化，與主衛(wèi)星GTO點火段類似。軌道科學公司以使用阿里安－5 （Ariane－5）運載火箭將干質(zhì)量1325kg、壽命為15年的GEO衛(wèi)星（攜帶質(zhì)量100kg的寄宿微納衛(wèi)星）發(fā)射進入近地點250km、遠地點35786km、傾角6°的軌道為例，進行了下列內(nèi)容的動力學分析。

1）安全平緩分離，不產(chǎn)生潛在碎片或相互碰撞的分析；

2）微衛(wèi)星在分離后安全進入預定GEO軌道的分析；

3）微衛(wèi)星GEO釋放過程對GEO衛(wèi)星的GTO軌道影響是否可忽略，以及未釋放時對GEO衛(wèi)星的軌道任務壽命影響是否可忽略。

研究結果顯示，寄宿微衛(wèi)星與主衛(wèi)星的分離速度增量ΔV可滿足最小分離要求。ΔV為0.04m/s時足以在1圈之后使兩者維持最小10km的分離距離。隨著圈數(shù)的增加，分離距離也會增加。這種發(fā)射方式還可讓寄宿衛(wèi)星進入在某一選定軌位，這種情況下分離時的ΔV取決于分離后的漂移速率、分離時與選定軌位的間距和到達選定軌位的天數(shù)。

寄宿衛(wèi)星分離對主衛(wèi)星的軌道任務壽命影響與運載火箭插入軌道、寄宿衛(wèi)星質(zhì)量、GEO/寄宿轉(zhuǎn)接器質(zhì)量、所裝推進劑和發(fā)射質(zhì)量的限制有關。對于干質(zhì)量為1325kg的星－2平臺航天器、寄宿衛(wèi)星質(zhì)量為100kg的情況，微納衛(wèi)星將使主衛(wèi)星的軌道任務壽命降低3.1年，因此要想維持主衛(wèi)星的軌道壽命，須增大發(fā)射質(zhì)量，增加攜帶的推進劑，當發(fā)射質(zhì)量超過3050kg時，可使壽命滿足15年的要求。

分離后主衛(wèi)星和寄宿微衛(wèi)星的姿態(tài)控制穩(wěn)定性可基本達到要求，分離時刻可選擇在GEO衛(wèi)星到達GEO軌道、開始轉(zhuǎn)入正常運行的任何時刻。

5 四種發(fā)射方式的比較

微納衛(wèi)星在軌發(fā)射方式出現(xiàn)較晚，但應用勢頭迅猛。4種發(fā)射方式中，空間站釋放方式應用最多，微型母子衛(wèi)星方式也越來越受到青睞，其他2種尚未開始使用。雖然目前與常規(guī)發(fā)射方式一樣，均使微納衛(wèi)星進入低地球軌道（LEO），但GEO軌道的發(fā)射已列入計劃，等待首次嘗試。幾種方式需要應對的技術問題有相似之處：一是要保證不能對主體航天器的性能有較大影響，或者對其運行構成威脅；二是要使被釋放的航天器進入預期的軌道，按預定的方案完成任務；三是要考慮被釋放航天器的離軌問題，不能造成空間碎片，威脅其他航天器的安全。

尤其值得一提的是，GEO平臺寄宿發(fā)射也是美國國防高級研究計劃局（DARPA）“鳳凰”（Phoenix）計劃實現(xiàn)“細胞星”（Satlets）概念采用的方式。勞拉空間系統(tǒng)公司（SS/L）正在研究利用這種方式和年均15次的商業(yè)GEO軌道發(fā)射機會，實現(xiàn)航天器的在軌維護，如運送美國國防高級研究計劃局的“鳳凰”服務/補給飛行器及所需工具、零件、燃料或細胞星，由服務/補給飛行器進行航天器的在軌維修、升級、更新、擴展和完善，并計劃于2017年3月進行首次演示試驗。服務/補給飛行器也可用于微小衛(wèi)星進入LEO以遠的軌道。

4種發(fā)射方式的比較

6 啟示與建議

隨著微納衛(wèi)星完成的任務越來越復雜，國外在微納衛(wèi)星進入空間方面投入研究精力，期望利用微納衛(wèi)星的低成本優(yōu)勢。相比常規(guī)發(fā)射方式，在軌發(fā)射方式的優(yōu)勢十分明顯，并且得到越來越多的應用。上述幾種在軌發(fā)射方式的興起給我們帶來的啟示與建議主要包括以下三點。

進一步開發(fā)微小衛(wèi)星低成本進入空間的能力，是更好地利用微小衛(wèi)星開展空間探索和試驗的前提

應與研制微納衛(wèi)星同步開展微納衛(wèi)星進入空間能力的研究，目前我國進行了一次微型母子衛(wèi)星的嘗試，獲得了一定的研制經(jīng)驗。而我國的空間站正在建設中，每年的GEO軌道發(fā)射次數(shù)也很可觀，因此開展多種在軌發(fā)射方式的研究，為未來更好利用這些設施和能力做好技術儲備，使低成本的微納衛(wèi)星完成技術試驗任務，甚至其他更復雜的任務。

充分利用現(xiàn)有方法和手段，依托已有的硬件進行開發(fā)和改進，是實現(xiàn)低成本的有效途徑

目前興起的幾種在軌發(fā)射方式都基于現(xiàn)有手段進行修改。空間站釋放和利用貨運飛船的方式是利用運行的空間站以及貨運補給任務完成微納衛(wèi)星的釋放，GEO平臺寄宿衛(wèi)星發(fā)射是利用商業(yè)GEO軌道發(fā)射以及現(xiàn)有GEO衛(wèi)星平臺改進的方式。在這些成熟的航天任務基礎上，賦予新的功能和考慮，實現(xiàn)微納衛(wèi)星低成本進入空間的目標，在成本和進度方面具有優(yōu)勢。

制定統(tǒng)一的相關接口標準，便于靈活安排微納衛(wèi)星的發(fā)射活動

在國外，接口標準的制定幾乎與研制工作同時開展。隨著在軌發(fā)射方式應用的逐步成熟，相關標準草案隨之多次修改，也逐漸完善。這些標準規(guī)范微納衛(wèi)星研制和設計，便于更好地根據(jù)需求靈活安排發(fā)射順序，協(xié)調(diào)安排不同組織和機構的微納衛(wèi)星發(fā)射，在運載火箭出現(xiàn)故障，或者微納衛(wèi)星臨時更改發(fā)射計劃時，能夠方便地更換火箭、調(diào)換日期等。我國剛剛開始使用在軌發(fā)射方式，同步開展接口標準的制定工作，對未來合理利用這種發(fā)射方式十分有利。

On-orbit Launch Methods for Micro-Nano Satellites