衛星應用絕對不可忽略的一個重要領域
——利用技術試驗衛星驗證民用技術儀器和器件

· 文| 北京空間科技信息研究所 王存恩

衛星應用絕對不可忽略的一個重要領域
——利用技術試驗衛星驗證民用技術儀器和器件

· 文| 北京空間科技信息研究所 王存恩

通常，一談起衛星應用，人們自然就想到通信、廣播、地球觀測、環境監測、防災、救災、國家安全保障等，往往忽略了利用發射的技術（性能）試驗衛星驗證先進的民用技術、領先于國際水平的尖端儀器和器件是否能夠在航天器上應用，而這恰恰是衛星應用無論如何也不可忽略的一個重要領域。

一、研制和發射技術試驗衛星的目的

伴隨微電子、微機械、微光學技術的發展，精密加工工藝水平的不斷提高，以及機電一體化、機光電一體化研發相繼取得顯著成果，使航天技術與先進民用技術間的差距不斷拉大。縮小航天技術與先進的民用技術差距已成為加快航天技術發展和提高應用技術水平的關鍵。自20世紀90年代中期就開始探討研制和發射技術（性能）試驗衛星，進入新世紀以來，許多國家和空間組織不僅研制，而且發射了技術驗證衛星，實驗和驗證先進民用技術和采用這些先進民用技術開發的采用有效措施的民用儀器和部件是否能夠在航天器上應用。

結果證明：許多先進的民用技術和采取行之有效對策后的儀器、元器件完全可能在航天器用，而采用后不僅可以大幅度地提高衛星的設計和應用水平，還可縮小航天技術與先進民用技術間的差距（起碼10年），大幅度地降低開發成本（通常航天級器部件的開發成本是民用元器件的10～15倍），同時還能大幅度地增加衛星的有效載荷比（最多可增加15%～20%），加快航天技術發展，提高應用水平，進而加快航天產業化速度，也為航天產業沿著好、快、省的方向發展創造了必要條件，乃至帶動國家的產業振興。

二、在研發技術試驗衛星上，各國采取了迥然不同的模式

國際上許多航天強國啟動了技術試驗衛星計劃并發射了技術試驗衛星，方法基本相同：首先，用科學方法從眾多的民用技術中篩選出有代表性的先進技術，以及從采用這些先進技術、新方法、新工藝開發出的各種儀器和部件中篩選出能經受住苛刻的太空環境考驗的儀器和部件，搭載在技術試驗衛星上進行驗證，通過飛行驗證者則被認定為可供航天器選用的技術、儀器和部件。不過，在如何選擇能夠在技術試驗衛星上實驗和驗證的先進技術、儀器和元器件的方法是有很大差別：

1.美國

在軍方強力支持下，由國防部遠景規劃局牽頭首先啟動技術試驗衛星計劃，美國航天開發核心機構——宇航局（NASA）以軍方研發成果為基礎，以其研發實力，借助軍方雄厚財力，從當時國際上諸多先進技術中挑選出最先進的技術，以及最微小、輕型、性能最好、功能最強、功耗幾乎最低的儀器、元器件，首先在小型軍事衛星上進行實驗和驗證，然后再搭載在NASA等開發的技術試驗衛星驗證，軍方優先選用。

2. 歐洲

在歐洲航天局（ESA）的部署下，利用小型技術試驗任務系列星，驗證遙感衛星公用平臺和有效載荷平臺技術，為歐洲發展小型技術試驗衛星奠定基礎。

（1）法國

在法國國家航天研究中心（CNES）領導和部署下，采用當時最先進的民用技術研制并發射了包括地球觀測、無線電中繼、射電天文試驗、被動測地，以及采用PROTEUS平臺和LEOSTAR平臺的多顆衛星，驗證了高可靠性、低成本、研制周期短的微小型衛星技術及其微小型化的部件。

（2）英國

在英國，技術試驗衛星是以民營股份公司——薩里衛星技術公司為主，采取不管屬于哪個國家的產權，只要是其篩選選定的技術、儀器和元器件，均設法引進和采購，經進一步確認性能后搭載在其開發的技術試驗衛星上，用其他國家運載工具將衛星送入預定軌道。薩里衛星技術公司的這種“引進成熟技術、采購國際領先水平的微小型化元器件發展微小型衛星”模式不僅可確保研制周期短、成本低、用戶多，效益好，市場前景也相當廣闊。

3.日本

日本，無論是在技術試驗衛星開發政策，實施機構，還是實施方法，都與美國、法國、英國有很大差別。其一，是政府支持，技術試驗衛星列入國家航天開發計劃，主管單位，是國家航天開發核心單位宇宙航空研究開發機構（JAXA）；選擇了一種產、學、研相結合的實施開發計劃的方法；其二，從國內各研發機構、民營企業所擁有的國際領先水平的技術、元器件中挑選適于航天用的技術和能夠經受住天空苛刻環境考驗的儀器和元器件，再采取包括核輻照試驗等嚴格的地面試驗確認其是否能滿足航天要求，再從能滿足要求者中選定并搭載在技術試驗衛星上進行實驗和驗證；經受住考驗的技術、儀器、民用元器件，還要再配置在技術試驗衛星或小微衛星上至少再進行一次驗證，才允許推薦給長壽命的應用技術衛星和科學衛星選用。

三、研制和發射技術試驗衛星的目標明確，方法得當

國際上許多航天應用專家都認為：盡管許多國家和空間開發機構在技術試驗衛星的開發政策不同，實施機構也不一樣，實施方法各異，獲取技術、元器件的渠道也有許多差別，但開發目的不僅明確而且一致：尋覓未來航天任務所需的革新技術和采用這些新技術、新方法、新工藝開發的領先于國際水平的各種儀器和部件，特別是關鍵的儀器和部件并盡快在航天器上使用，這樣，不僅可縮小航天技術與先進的民用技術之間的差距，而且可提高以衛星為代表的航天器的設計、開發和應用水平，增加航天器的有效載荷比，降低航天器的開發成本且提高在軌執行飛行任務能力，確保航天技術沿著好、快、省的方向發展，拓展應用范圍，加快航天產業化步伐，進而帶動國家產業振興，造福于人類。

日本資深的航天專家的川泰雄認為：通過發射技術（性能）衛星，驗證先進的民用技術、儀器和元器件能否在航天領域應用是衛星應用的一個絕不能忽視的重要領域，通過大家的努力，政府做出將技術試驗衛星列入國家航天開發基本計劃，由JAXA負責設計，采取產、學、研相結合的模式，從國內選擇最先進、領先國際水平的技術、儀器和元器件搭載在技術試驗衛星上進行實驗和驗證等的方法無異是正確的。也唯有這樣才能確保首先滿足國內需求，擁有批生產，以及參與國際競爭的自主權，這也是日本能夠成為“具備為國際航天市場提供高復雜性、有競爭力的航天硬件和組件的主要國家”的重要原因之一。

四、日本發射的技術試驗衛星

1.發射的技術試驗衛星概況

日本已研制和成功發射了6顆技術試驗衛星，成功發射的這6顆技術試驗衛星分別是民用元器件性能驗證衛星（MDS）-1、下一代不載人空間實驗系統（USERS）、微實驗室（μ-Lab Sat）-1、創新小衛星（INDES）、小型驗證衛星（SDS）1和4。用這6顆衛星共驗證了19項新技術；執行了24項飛行任務，均取得成功；搭載了42種主要飛行任務儀器，其性能基本都得到了確認；搭載了66種需要實驗和驗證的儀器、元器件和材料，確認有62種能在航天器上采用。如表1所示。

表1　日本發射的6顆技術試驗衛星概況

2.實驗和驗證的新技術

這 6顆衛星共驗證了19項新技術，包括：先進的封裝技術、半導體抗輻射加固技術；航天器返回技術、微重力環境下晶體生成技術和“性能強、成本低、研制周期短”的民用器部件技術；50kg級小微衛星公用平臺技術、月球女神（SELENE）中繼衛星用分離機構和遠距離檢測技術；多模式、小型集成化、具備4種通信功能的標準脈沖轉發器技術、下一代空間通信網絡型數據處理模塊技術和采用尖端技術與器件開發的微處理器技術等。

3.執行的飛行任務

這6顆衛星共執行了24項飛行任務。包括確認民用器件在太空苛刻環境下的性能和功能、驗證部件微小型化技術和測量空間輻射環境；確認衛星所提供的微重力環境能完成晶體生成并獲取高溫超導材料、確立一種更廉價的返回系統，以及低成本民用元器件能在航天器上采用；驗證下一代先進的衛星技術、檢測在軌執行小規模、高頻度科學觀測任務的能力，以及執行用極光相機和粒子觀測裝置對極光微細機構進行觀測的能力等。

4.搭載執行飛行任務的儀器

這6顆衛星共搭載42種需實驗和驗證的儀器和部件，包括含驗證半導體器件、地面用太陽電池和實驗裝置的儀器的民用元器件驗證儀器、含驗證半導體記錄儀、CPV蓄電池、并列處理計算機用實驗裝置的民用部件驗證儀器和空間環境測量裝置；超導材料生成裝置、測量再入飛行環境的光學環境測量裝置、雙頻GPS接收機、汽車專用電子器件開發的星載計算機、采用民用器件研制的展開式散熱器、民用器件開發的星敏感器和慣性基準單元等。

5.驗證的儀器、元器件（材料）

這6顆星上總共驗證了共66種儀器、元器件和材料，確認能在航天器上應用的民用元器件為62種。包括20Ah鎳氫（Ni-H2）共用壓力式蓄電池實驗裝置；總線控制器、EEPROM和驅動裝置；空間放射性粒子輻射劑量監控儀、輻射劑量計量裝置、重離子觀測裝置和磁強計等。

6.驗證的新技術與儀器、元器件在開發計劃中的應用

發射的這6顆技術試驗衛星驗證了的19項新技術和62種儀器、元器件和材料，不僅在JAXA的開發計劃、各高校以及地區性航天開發結構研制的小微衛星中應用，有些還出口到國外，為縮小航天技術與先進的民用技術，航天用儀器、元器件與民用儀器、元器件間的差別，降低開發成本，提高日本航天產品在國際市場上的競爭力，乃至加快星箭出口都發揮了重要作用。這里僅就所查找到的信息分別闡述每顆衛星驗證的新技術和儀器、元器件的應用狀況。

五、推進技術試驗衛星計劃的意義重大

日本通過執行技術試驗衛星計劃，不僅加快了先進的民用技術和具有國際領先水平的微小型、輕型、低成本、高可靠性、競爭力很強的民用器件、材料以及用這些器件和材料開發的尖端儀器在航天器上的應用，還使之在縮小航天技術與先進民用技術間差距方面走在了國際前列，縮小了日本與國際航天技術先進國間的差距，甚至Futron公司等國際評級機構也認為日本是“能向國際航天市場提供高復雜度航天硬件和組件的主要國家之一”。這不僅加快日本航天產業化步伐，也使更多外國用戶了解、重視，乃至更加主動要從日本引進這些可用于航天的民用技術，訂購某些采用日本國內最先進民用技術開發的儀器和部件；這也為三菱電機公司的DS2000平臺、日本電氣公司的ASNARO衛星平臺和H-2A火箭進入國際衛星研制和發射市場發揮了重要作用。更讓日本政府有理由下決心支持技術試驗衛星計劃。因為這不僅可縮小航天技術與先進的民用技術、日本的航天技術與航天技術先進國家間的差距，還能夠為其國家產業振興，乃至走出國民經濟低迷狀態發揮積極作用。

六、JAXA今后每兩年就發射1顆技術試驗衛星

2015年1月9日，日本公布了新航天基本計劃，明確構建以文部科學省JAXA為核心，官民并舉，產、學、研相結合的開發體制；還決定：今后每兩年就發射1顆技術試驗衛星；2016年，國家下撥了30億日元作為新技術試驗衛星計劃的啟動經費，2017年用一體化、模塊化設計，電子設備集成化、機光電一體化，功能軟件化，配備小型便攜式管控系統的改進型全新全固體“艾普斯龍”火箭以一箭多星方式把這顆新技術試驗衛星送入預定軌道。

JAXA還決定要通過嚴格篩選，有計劃、分步驟地利用技術試驗衛星實驗和驗證日本國內領先于國際水平且能用于航天的高、精、尖民用技術，以及采用這些尖端技術，依據最新理論、采用最新工藝、最新方法和最新材料開發的儀器、部件，并使之盡快地用于航天還決定按如圖1所示的推進技術試驗衛星項目的4個具體步驟，確保技術試驗衛星達到航天開發戰略本部提出“既可滿足商用，又能滿足廣義的安全保障——防災以及對災害的雙向需求”，形成技術試驗衛星研制、發射與應用常態化，系列化，達到加快國家航天產業化進程，增強日本航天產品在國際市場上的競爭力，進而帶動國家產業振興的最終目的。

七、結束語

通過研制和發射技術試驗衛星，不僅實驗和驗證了日本許多領先于國際水平的高、精、尖民用技術，以及采用這些最新尖端技術、最新理論、最新工藝、最新方法和最新材料開發的多種儀器、部件，材料得以在航天領域應用，屆時不僅使日本電氣公司開發的高性能的脈沖轉發器、紅外地球敏感器，三菱電機公司的熱管、鋰離子蓄電池、高轉換效率的太陽電池翼、石川島播磨重工業公司生產的姿態軌道控制發動機在國際航天產品市場上的占有率分別穩穩地達50%、50%、47%、47%、41%和25%～30%；在6顆技術試驗衛星上所驗證的19項技術和62種儀器、部件和材料，經過進一步實驗和驗證后，更會以其技術先進，具備形狀微小、質量輕型、性能好、功能強、功耗低、市場售價低，易于訂購等等航天級技術、儀器、元器件、材料所不具備的特點，必將很快成為國際航天市場上的搶手貨，進而穩定其作為向國際航天市場提供高復雜度航天硬件和組件的主要國家的地位。

圖1　推進技術試驗衛星項目的4個具體步驟