腦洞大開的小衛星技術

□ 展鵬飛

腦洞大開的小衛星技術

□ 展鵬飛

隨著小衛星技術的發展，人們逐漸從它們身上找到了更多的用途，也發現了更多的問題。許多應用在大型衛星上的器件并不適合小衛星，它們或者體積太大，或者耗電太多，或者價錢太貴。而小衛星本身也逐漸承擔起更加嚴肅、更加業務化的工作，因此對性能有了更高要求。

在體積、成本和應用之間，小衛星應當如何找到平衡呢？當然是通過新技術的發展和新器件的研發。在這里，我們就介紹最近新出現的一些腦洞大開的小衛星技術。

▲ 法拉第平臺的發射前構型

▲ 法拉第的立方星載荷

▲ 法拉第任務的徽章

▲ 法拉第平臺

法拉第先生，你該上天了

隨著商業航天的興起，參加衛星研制的企業和機構也越來越多。大家都在積極降低衛星器件的成本，讓小衛星更便宜。這個理念是著名小衛星制造商薩里公司和一家叫做“在空間任務”的企業聯合提出的。主要目的是向各種研究機構開放機會，薩里公司提供小衛星平臺，在空間任務公司負責集成。所搭載的有效載荷最大可以達到50千克，最小可以是一塊芯片。在空間任務公司說，這實際上是給開發者提供機會，更加頻繁地測試自己研制的元器件。這樣的搭載價錢也不貴，搭載一塊芯片的飛行費用只有12000美元。

當然，這樣的理念用現成的小衛星是很難實現的。因此兩家企業合作啟動了一個叫做“法拉第”的項目,這個名字當然來自著名電學家邁克爾·法拉第。這是一種下面大、上面小，有點像四方形基座的東西。四個斜坡就是太陽能電池，星敏感器部署在底面的角落里。升入太空后，四個斜坡可以打開，一方面為太陽電池提供更好的光照條件，另一方面也把內部搭載的載荷暴露出來。這樣，載荷就可以接受輻射環境的考驗，看看它們是不是能正常工作，還需要進行哪些改進。

我們之所以把“法拉第”叫做“東西”而不是衛星，是因為它確實不是衛星。實際上，它還可以用來搭載布署立方星，1U立方星的搭載發射價格是12萬美元。

具體來說，“法拉第”可以搭載的載荷分為三大類。

一類叫做“小載荷”，最少1千克，最多50千克，折疊起來的尺寸不能超過50立方分米；平均功耗在50瓦，峰值功耗不能超過180瓦；每天的數據下行量不能超過150G字節。

▲ 法拉第的小載荷

▲ 法拉第的芯片級載荷

第二類就是立方星，但這種立方星并不會部署到軌道上，而是一直待在“法拉第”里面，實際上是為立方星研制者提供一個在軌測試的平臺。每個立方星的重量不能超過1千克，平均功耗1瓦，峰值功耗5瓦。“法拉第”上一共有5個這樣的搭載位，有些位置是特意為對地觀測或者天文觀測預留的。

至于專門測試芯片的是第三類，叫做“毫微微”。在“法拉第”上一共有5個“毫微微”搭載位置，單個位置的重量限制是75克，尺寸限制是88.9×69.8毫米，平均功耗0.1瓦，峰值功率限制0.5瓦，測試立方星主板什么的完全可以滿足。

按照薩里公司提供的說法，單個“法拉第”在湊足搭載客戶之后，要用6個月的時間完成所有研制工作，發射入軌之后可以工作5年。根據目前的計劃，第一個“法拉第”將在2019年發射，然后的兩年每年發射一次。

還能再小一點嗎？

最近，一家叫做約克航天的公司上了新聞。它雖然叫“YORK”,可是既不在紐約市，也不在紐約州，更不在英國的那個約克郡，而是在美國的丹佛市。

約克公司推出了一種叫做S級的衛星平臺，自重65千克，能夠承載高達85千克的載荷，供電功率100瓦。從姿態控制精度來看，可以用作對地觀測衛星。它的特點并不在于這里，而是開發快。公司號稱，一天之內就能完成有效載荷與平臺的集成工作。現有的生產設施可以達到年產200顆衛星的水平。平臺的價格只要65萬～16萬美元。之所以有這樣的價格范圍，是因為商家提供了從基本配置到豪華配置的選擇，比如增加星敏感器、專用的有效載荷飛行計算機、專用的有效載荷存儲器和發射機、更多太陽能電池（最高3000瓦），甚至可以配裝超高速激光下行鏈路和場效應電推力器。

S級衛星平臺的一個賣點，是可以采用兩類先進的推力器。這也是它實現較高姿態控制精度的要訣。約克公司為此選擇了兩個合作伙伴，一家是位于美國本土的Accion系統公司，一家是位于奧地利的Enpulsion公司。

這兩家企業的電推力器各有特色，但都做到了兩點：大幅度降低了設備的體積、復雜度和功耗；可以單獨使用，也可以拼接成推力器陣列，實現了模塊化。

Accion系統公司的產品叫做“瓦片狀液體電噴射器”，其實看上去，它更像是地磚。

按照這家公司的說法，“瓦片”系統中沒有傳統電推力器所需要的燃料罐、泵、閥門、有毒推進劑、外置陰極和離子化室，最基本的單位就是一個焊接在電路板上的方塊而已。方塊的上方是網狀的平面，推力就從這里產生。

▲ Accion系統公司展示“瓦片”推力器

哈里斯要撈過界了！

小衛星市場不但吸引著創業公司，也引來了此前不搞整星的哈里斯公司。這可不是什么小企業，而是世界知名的軍事通信巨頭。這家企業進入小衛星市場，帶來的可能是摧枯拉朽的效應。

在航天領域，哈里斯原本只從事地面衛星站的研制。但是從新一代銥星開始，哈里斯也進入了星上器件的研制領域。哈里斯一方面加強自主研發，另一方面收購了從事遙感器研制的Exelis公司。如今，哈里斯已經是世界上最大的搭載有效載荷制造商。

▲ 銥星上貼滿了白色天線的白色梯形臺狀設備就是APPSTAR

如果我們觀察新一代銥星的外觀，會發現在對地面上有兩套天線。其中一套是工作在L頻段的主天線，呈正方形。在它的前面，有一個白色的梯形臺，上面裝滿了圓形的天線，形成了陣面。這就是哈里斯公司研制的APPSTAR載荷。這是一種所謂的軟件無線電設備，它打破了通信和雷達之間的界限——也就是說，用某種軟件可以把它當做通信設備使用；換一種軟件，它就成了雷達。作為通信設備，它也可以滿足不同的需求、服務于不同的對象。

根據哈里斯公司的介紹，APPSTAR有三大類用途：跟蹤、通信和遙感。作為跟蹤用途，它可以用來跟蹤航船、飛機和其他信號源；作為遙感，它可以實現合成孔徑雷達、可見光/紅外、激光雷達功能，還可以用于氣象觀測；作為通信，它可以用于寬帶、窄帶和保密通信。

根據實際測試，如果軟件編制到位，只要不超過15秒的切換過程，它就可以變成另一種設備。其實，美國早在10多年前研制成功的F-22戰斗機上就實現了這種功能——機載雷達既可以作為雷達，也可以作為通信天線，還可以用來執行電子偵察和電子對抗任務。在目前的銥星上，APPSTAR為兩家商業企業服務，提供飛機和航船位置監視功能。

▲ 哈里斯搭載于新一代銥星上的APPSTAR用途很廣

新一代銥星投入使用后，在商業上取得了很大成功。其中包括APPSTAR。那么除了為別人提供載荷，哈里斯能不能自己搞衛星呢？在這個想法的推動下，哈里斯公司在航天與情報分公司下面成立了一個新的部門，叫做衛星解決方案部。進一步推出了全面的小衛星有效載荷解決方案，其中包括多種可展開天線、SPACEVIEW成像系統和一種叫做HYPERCUBE的光學遙感衛星。SPACEVIEW成像系統號稱能用0.2米的孔徑實現1米的分辨率和8個頻段的光譜分辨率，而HYPERCUBE把一套超光譜成像儀裝進了6U的立方星里。不過在哈里斯公司看來，立方星還是太小，不足以實現高端用戶的目標。他們正在研制一種不超過100千克的新衛星平臺。

除了衛星和載荷，哈里斯并沒有放松傳統的衛星地面設備研制業務，其中不但包括便攜式地面站，還有新開發的數據挖掘系統。按照哈里斯公司的說法，這是一系列“全套解決方案”。

▲ Dellingr衛星想象圖

▲ 正在接受環境測試的Dellingr衛星

可靠性還是大問題

在諸多腦洞之下，是小衛星技術的迅速成長。它們已經不再僅僅是學生拿來練手的教具，也不再僅僅是技術開發的小白鼠，正在向著業務運行衛星的方向前進。但是橫亙在小衛星業務化應用前面的，是“可靠性”這個攔路虎。考慮到宇航系統的復雜性和高要求，腦洞和可靠性往往是一對矛盾。對此，美國宇航局深有感觸，一些負責人說，如果小衛星的可靠性不提高，是不可能進入正式業務的。

傳統學生小衛星或者科研小衛星都是搭載發射的，為了湊發射機會，經常會放棄某些測試來趕進度，如果衛星壞了，再發射一次就好。

這其中的問題在于：小衛星雖然便宜，但科學機會不見得便宜。假如用大型火星探測器攜帶一些小衛星來到火星軌道上，然后放出小衛星實施某些科學任務。這個時候，如果小衛星忽然壞了，那么損失掉的不僅僅是這顆便宜的小衛星，更是從地球到火星的兩年一次飛行機會、好幾個月的飛行時間和運載火箭的運力。某些繞地球運行的星座也面臨著同樣的問題：小衛星雖然便宜，但是如果因為衛星故障導致業務中斷，損失就大了。

因為小衛星很便宜，所以往往傾向于采用所謂的商業元器件。但是這些元器件往往不靠譜。NASA戈達德航天中心的Dellingr衛星最近就遇到了這類問題。這顆衛星曾經被叫做“輻射帶衰減實驗”衛星，是一顆6U立方星，后來改用這位叫做Dellingr的北歐神話人物命名。美國宇航局希望用這顆衛星來探索一種低成本的空間環境研究手段。所以，戈達德中心的工作人員打算和其他小衛星團隊一樣，用商業器件來構造這顆鞋盒子大小的衛星。

然而事實卻給他們上了一課。買來的元器件拆包之后根本不能用。經過測試發現，這種器件只要超過某個溫度范圍就罷工了。還有一些器件貨不對板。總之問題很多。所以，團隊緊趕慢趕，才讓Dellingr趕上了8月14日的發射。

這些問題也揭示了，為什么很多小衛星一上天就罷工了。在正規衛星研制過程中，元器件的質量控制流程要嚴格得多，衛星制造的高成本很大程度上也是這樣來的。

當然，不能因為這樣的問題，就放棄降低衛星成本的努力。所以，美國宇航局新近成立了一個“小型航天器可視化研究所”，致力于解決小衛星可靠性的問題。研究所維護著一個叫做“現役在軌宇航器件”的數據庫，列出了已經經過在軌衛星驗證的器件，供開發者們挑選最合適自己任務的器件。當然，這個數據庫并不公開，想要的人必須向NASA提出申請，批準之后才可以拿到。

責任編輯：夏丹