波蘭微小衛星技術的崛起與發展

李懿德 （1 中北大學，2 華沙理工大學）

波蘭在衛星領域的發展相比歐洲幾個航天大國起步較晚，并且主要以科學載荷配套和衛星應用為主。2005年，由華沙理工大學抓總的“華沙理工大學衛星”（PW-Sat）正式立項，開啟了波蘭自主研制航天器的序幕。隨著2012年波蘭加入歐洲航天局（ESA），2014年成立波蘭航天局，并在2012－2014年間完成了3顆自主研制微小衛星的交付發射，該國的航天工業進入高速發展階段。近年來，除了科研院所，波蘭的民營航天企業也嶄露頭角，并很快成為該國微小衛星行業的中流砥柱。

1 初期國際合作研制微納衛星

在波蘭自行研制微小衛星初期階段，主要以現有的衛星平臺產品為基礎進行研制，具有低成本、研制周期短、可靠性高等特點，以空間天文觀測、空間維護技術試驗等為科學目標實現了波蘭自主研制衛星零的突破。

“華沙理工大學衛星”系列立方體衛星

“華沙理工大學衛星”（PW-Sat）系列立方體衛星是由華沙理工大學（Politechnika Warszawska）學生自主研制的系列空間維護技術試驗立方體衛星，同時兼顧教學目的，目前已研制了“華沙理工大學衛星”、華沙理工大學衛星－2兩個型號，華沙理工大學衛星－3正在進行方案論證，其科學載荷均為衛星壽命末期展開的被動離軌裝置。其中,“華沙理工大學衛星”是波蘭的第一顆人造衛星，于2012年搭載歐洲航天局“織女星”（Vega）小型固體運載火箭首飛發射入軌。該衛星是1U立方體衛星，搭載有1m長的可展開柔性太陽電池翼機構，在衛星壽命末期展開，測試太陽能電池的供電性能，同時作為增阻離軌裝置使衛星盡快再入大氣層。然而在入軌6個月后，衛星通信系統出現故障與地面失聯，因此無法發送展開太陽電池翼的指令，導致任務失敗。

2013年，華沙理工大學衛星－2立項，主要載荷為尺寸為2m×2m的離軌薄膜帆，同時還搭載了一臺由學生自主研發的太陽敏感器開展在軌測試。衛星目前已進入正樣研制階段，經運載方多次推遲，預計于2018年第三季度搭載美國太空探索技術公司（SpaceX）的獵鷹－9運載火箭發射至高度為575km的預定軌道，不排除繼續推遲的可能性。離軌帆在發射時被盤繞折疊并放置在直徑80mm的圓柱形載荷艙內，高度不超過70mm，采用無源展開方案，僅由彈簧和彈性桿作為動力來源，以降低成本、減小體積、提高可靠性。正常展開后，衛星離軌再入的時間將由20年以上縮短至6～12個月。

在華沙理工大學衛星－2研制工作推進的同時，華沙理工大學衛星－3的方案設計也在持續進行，初步設計為3U立方體衛星，增加動力系統。該星的研制將開展國際合作，目前已確定將與哈爾濱工業大學開展聯合研制。

“明亮目標探測器-波蘭”雙星

PW-Sat任務模擬圖

PW-Sat－2任務模擬圖

“明亮目標探測器-波蘭”（Brite-PL）雙星是波蘭科學院空間研究中心（Centrum Badań Kosmicznych PAN）和波蘭科學院哥白尼天文中心（CAMK PAN）于2009年底立項研制的兩顆空間天文觀測衛星，耗資超過400萬美元，由“萊姆”（Lem）和“赫維留”（Heweliusz）兩顆衛星組成。是加拿大、奧地利、波蘭共同發起的“明亮目標探測器-星座”（BRITE-Constellation）工程中的一部分，共研制6顆衛星，以上3個國家各承擔兩顆（其中加方一顆衛星入軌后失效）。該星座旨在對銀河系中明亮的（星等≤+3.5）大體積恒星進行組網觀測，是國際上首個用于天文學研究的微小衛星任務，也是首個天文衛星星座。

“萊姆”和“赫維留”由波方與加拿大多倫多大學航天飛行實驗室（SFL/UTIAS）聯合研制，采用加方設計的“通用微納衛星平臺”，基本尺寸20cm×20cm×20cm，可被看作8U立方體衛星，外加一個凸出的磁強計，采用雙層壁板結構以減小空間輻射環境對有效載荷的影響，每顆星質量7kg，姿態控制精度≤1°，采用特高頻（UHF）頻段的星載測控天線，數據下行鏈路采用S波段，最大速率256kbit/s，平臺電壓4.0V，科學載荷為一臺3cm口徑的天文望遠鏡。其中“萊姆”衛星的絕大部分元器件和平臺分系統都由加方直接提供，并對波方研制人員進行了總裝、測試操作培訓，于2013年11月21日由烏克蘭“第聶伯”運載火箭發射至高度800km的近地軌道。在研制“赫維留”衛星時，由于加方元器件庫存不足，主要分系統的設計制造都由波蘭自行承擔。2013年8月12日，中國長城工業集團有限公司與波蘭科學院空間研究中心簽署了“赫維留”小衛星搭載發射服務合同，于2014年8月19日隨我國高分－2（GF－2）衛星用長征－4B（CZ－4B）運載火箭發射入軌，高度640km。

“明亮目標探測器-波蘭”衛星入軌后對圓規座α、船尾座ζ、天津四、仙王座β等銀河中的500～800顆恒星進行了精確觀測。開展星震學研究，即通過恒星振蕩特性研究恒星的內部結構，同時記錄恒星亮度隨時間的變化，以監測超新星爆發。其他天體物理研究包括發光星體的生命周期、恒星內部的能量和角動量轉移、恒星與星周盤的相互作用、密近雙星的潮汐作用、星風擴散引起的恒星質量損失等。

“明亮目標探測器-波蘭”衛星結構示意圖

2 自主研發微納衛星平臺

近年，波蘭各高新技術企業和新成立的商業航天公司也開始涉足微納衛星技術領域，設計了幾種有創新特點的衛星平臺，面向該國軍民用戶，為未來的衛星裝備發展打下了技術基礎。

“超級衛星”模塊化平臺

“超級衛星”（Hyper-Sat）模塊化平臺是由位于皮亞塞奇諾的科瑞歐泰克儀器公司（Creotech Instruments S.A.）提出的低成本模塊化開源納衛星平臺。其設計思路是在現有立方體衛星的基礎上通過加大單個平臺單位的體積，使其裝載更多有效載荷，相比一般微納衛星平臺擴大應用范圍，可用于研制空間科學衛星、光學/雷達遙感衛星和通信衛星的單星或星座。

“超級衛星”平臺的單位尺寸為30cm×30cm×10cm，質量10kg，其最大構型可擴展至30cm×30cm×60cm，配套了相應有效載荷后總質量60kg。平臺結構設計上預留了與開源分系統模塊匹配的接口，標準模塊包括電源系統和化學電池、太陽能電池、通信模塊和天線，以及適用該型平臺的星箭分離機構。其設計同時兼顧了快速響應的需要，從衛星任務立項到出廠僅需9個月，計劃年產量10顆，對運載發射服務的合同履行時限為6個月。目前，該衛星已完成原理樣機的研制，其首發星預計將于2019年完成發射。

該公司鼓勵國內外各企業機構參與開源模塊的設計工作，目前的合作伙伴是波蘭科學院空間研究中心和華沙理工大學。

科瑞歐泰克儀器公司旨在動態開發小型衛星市場，同時避免與他國動輒數百萬創投基金資助研發的大星座競爭。由于其他衛星運營商主要關注有效載荷所獲取的數據，因此低成本的生產和快速的整合可能對未來的客戶更有吸引力。

波蘭AIS衛星

波蘭AIS衛星（SAT-AIS-PL）的論證工作始于2014年，以滿足海上交通安全和管理的需要。由歐洲航天局委托下列協作單位進行可行性研究（波蘭工業獎勵計劃下的POL-SAT-AIS項目）：國家通信研究所（項目牽頭單位）、格丁尼亞海事大學（Akademia Morska w Gdyni）和波蘭科學院空間研究中心。論證工作得到了歐洲航天局和波蘭國家部委級空間政策小組的高度評價，決定正式立項，由科研生產聯合體進行領導。從2015年2月開始，工程總體單位轉至科瑞歐泰克儀器公司，2016年3月正式進入工程研制階段，后期又有協作單位加入。

Hyper-Sat單位平臺結構

Hyper-Sat光學遙感衛星構型

波蘭AIS衛星

AIS系統的主要用戶為海事辦公室、波蘭軍隊、邊防部隊、海上搜救服務機構、情報機構和歐洲海事安全局。從船舶到地面站的數據傳輸將采用新的甚高頻（VHF）數據交換系統進行升級，將在未來幾年由國際電信聯盟引進。波蘭AIS衛星將成為該國第一顆提供實際服務的應用衛星，整個系統包括一顆質量約為40kg的微納衛星（含兩塊太陽電池翼），星上搭載一臺AIS接收器，一個甚高頻數據交換系統模塊，一個星地鏈路模塊，以及一個用于業余無線電活動的附加模塊。其中星地鏈路模塊可實現地面和衛星之間的即時數據交換，這在海上出現緊急情況時至關重要。該解決方案還有望縮短數據檢測與地面站接收之間的時間差。地面設施包含一個測控站，一個衛星指揮和控制中心，以及一個面向最終用戶的AIS數據中心，所有地面設施都將設立在波蘭境內。衛星交付運行后，將收集和提供廣泛的數據，包括有關船只位置、路線、交通和潛在危險情況的信息。

完成整個工程預計需要7年時間，研制進度安排如下：2016－2017年完成工程任務規劃，即各大系統之間的體系構建；2018－2020年完成衛星系統的總體設計，總裝測試和發射；2020－2022年完成為期數年的在軌運行段，其中包括衛星壽命末期的離軌操作。

“斯韋托維德”3D打印立方體衛星

“斯韋托維德”（Svetovid）衛星是由弗羅茲瓦夫的新興商業航天公司衛星革命公司（SatRevolution）研發的2U立方體衛星，該公司成立于2016年7月。

該衛星的結構件由鋁-鎂-鈧合金（Scalmalloy）粉末3D打印而成，具有質量輕、強度高等特點，可承受－150°C～300°C的溫度變化，這種材料也被空客公司（AIRBUS）用于飛機的制造中。同時，其獨特的外形設計使其能更好地適應皮衛星軌道適配器的導軌。

“斯韋托維德”衛星是一顆科學衛星，它的主要任務是研究地球磁場的強度、變化以及熱層中的重力，氣象變化等。其次，搭載的光學遙感設備所獲取的圖像可用于氣象學、海洋學、地質學和測繪學研究，對林業和農業也有潛在的輔助作用，也用于地區的國土資源開發規劃，災害風險評估和氣候變化、環境監測等。另外，衛星將對地球上不同經緯度的重力場進行探測，記錄隨時間變化的數據。這些數據可以用來研究板塊的構造、運動，并監測可能存在的威脅。

“斯韋托維德”計劃2018年第一季度由美國軌道系統公司（Interorbital Systems）的海王星－N3（Neptune－N3）火箭從太平洋的一個海上浮動平臺發射入軌，預計軌道高度310km，同時搭載兩顆質量為0.3kg的伴飛手機衛星“水澤仙女”（Rusalka PhoneSat），其設計基于安卓（Android）系統，使用的所有的元器件都來自普通手機，衛星革命公司將驗證該解決方案的在軌工作狀況。

“斯韋托維德”衛星模擬圖

3 發展微納衛星星箭分離機構

在研制微小衛星的同時，波蘭也開展了星箭分離機構的國產化工作，并形成了有自身特點的產品，其中比較有代表性的是在研制“明亮目標探測器-波蘭”任務中的“赫維留”衛星時配套的“龍”（Dragon）分離機構。

由于“明亮目標探測器-星座”的所有衛星都使用了加拿大多倫多大學航天飛行實驗室研制的“通用微納衛星平臺”，因此在首發星“萊姆”中，直接采用了該實驗室原配的“試驗分離機構”。在“赫維留”衛星交付發射前，研制方波蘭科學院空間研究中心決定自行研制適配該8U立方體衛星的星箭分離機構，于是聯合專門從事宇航空間機構研發的華沙阿斯卓尼卡公司（Astronika），僅用了2個月的時間，就完成了方案設計到正樣產品試驗、交付的整個研制周期，填補了該領域在波蘭市場上的空白。

“龍”分離機構的總體結構由鍍鎳7075鋁合金制成，外形尺寸282mm×320mm×287mm，總質量7.2kg。由四周壁板固定在薄底板上，另加三套機械裝置：帶分離彈簧的衛星推板平臺、艙門與門閂裝置、鎖緊釋放機構。其中，分離彈簧采用錐形設計，以減小壓縮后的高度，控制整個機構的體積，根據7kg的衛星質量，設計初始回復力83N。為避免衛星分離運動時的摩擦損壞，推板平臺上安裝了兩組滑輪，并在對應的主結構壁板上預制兩條溝槽導軌，執行分離動作時，推板平臺沿導軌向前運動，衛星主體不與分離機構發生滑動摩擦，提高了分離安全性。在壓緊狀態時，推板平臺底部的4個錐形結構插入底板上的預制孔中，傳遞所有力學載荷。

鎖緊釋放機構采用波蘭科學院空間研究中心成熟的迪尼瑪線（Dyneema String）熔斷方案，該方案已在歐洲航天局“羅塞塔”（Rosetta）彗星探測任務中得到充分驗證，成功應用于“菲萊”（Philae）著陸器的地表及地下多功能傳感器上。在“龍”分離機構的設計中，為了使用功率盡可能小的電阻熱源，因此選取了0.5mm的迪尼瑪線。

艙門關閉狀態

開啟后由“銷-孔”機構鎖定

整個機構的工作原理如下：衛星裝入“龍”分離機構后，由鎖緊桿和迪尼瑪線完成艙門的壓緊，運載火箭發出分離指令，電阻加熱器升溫使迪尼瑪線熔斷，艙門在扭簧的作用下快速開啟，當兩塊門板轉動到110°后由“銷-孔”俘獲機構鎖定，衛星在彈簧和推板的作用下沿導軌彈出。

經分離試驗，衛星分離速度為1.2m/s，滿足運載方提出的不大于1.5m/s的要求。

4 總結

可以看出，波蘭小衛星在國際上雖然是后起之秀、起步較晚，但起點高，這一點得益于其多年來參與歐洲航天局重大工程型號研制所積累的經驗，加上商業航天的熱潮，也起到了推波助瀾的作用。對我國而言，這也是一個較好的機遇，依托重大科技專項以及“長征”系列運載火箭的高密度發射，以搭載服務、聯合研制等形式開展國際合作，有助于我國航天產品“走出去”，推動兩國科技交流，助力一帶一路建設。