青少年探究危險小天體預警防御小衛星設計

于小雯 石政宇 吳桐

摘? ?要：隨著技術的進步和國家需求的增加，小衛星己成為航天器發展的重要方向之一。通過立方星設計，使其具備掃描探測即將侵入到地球上的危險小天體并且采取一定措施的能力。在具體設計過程中，解決了激光測距、對地數據交換傳輸、能源轉化等關鍵問題，為消除太空威脅提供了理論基礎。

關鍵詞：危險小天體? 預警防御? 控制? 小衛星? 無線電波

中圖分類號：P185? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）05（b）-0255-02

20世紀90年代起，我國開始加大對現代小衛星及其關鍵技術領域研究的投入，從此我國現代小衛星的發展便駛上了快車道。1999年5月10日，我國首顆現代小衛星“實踐5號”成功發射。2007年5月25日，我國首顆皮星浙大“皮星一號”成功發射[1]。

據不完全統計，2016年500kg以下的小衛星發射數量為121顆。近幾年，1000kg以下衛星所占比例已穩定保持在40%以上，由此可見，小衛星已成為航天活動的主要領域。2017年至今，太空探索技術公司（SpaceX）提出了雄心勃勃的全球衛星通信網，還有太空互聯網公司（OneWeb）衛星通信網、典型的低軌遙感衛星網絡、低軌移動通信網絡等，這些衛星均為小衛星的范疇，數量眾多。

與衛星發射密切相關的內容是星箭接口形式，不同的接口決定了不同的衛星規模，也決定了衛星的發射與分離方式等[2]。由于單個小衛星在大氣掩星探測中無法滿足對地球的大范圍覆蓋以及多點科學探測，多個小衛星可以組成一顆“大”衛星，共同完成特定空間探測任務并對采樣數據進行相關的處理以獲取更好的結果。小衛星星座組網因其較廣的覆蓋度以及有保障的穩定通信而成為各國發展戰略必須搶占的太空制高點[3]。

未來小衛星發展趨勢將是：在設計方面，將朝著標準化和模塊化方向發展;在性能方面，隨著載荷和控制技術進步，其分辨率和機動能力將會大大提高;同時大量采用貨架部件以節省研制成本和縮短了研制周期;由于小衛星研制周期短、成本低，未來小衛星將是在軌星座組網的主力軍之一[4-5]。

在首屆未來太空學者大會發布方案征集后，我們組建青少年探究團隊，針對征集通知中功能要求及指標約束進行了仔細分析，并進行了多種方案比較和論證，最終選擇了危險小天體預警防御小衛星方案。該方案設想雖然超過目前工程領域能力，但作為青少年突破常規思維、發揮創新思維，不失為有益的嘗試。同時，該方案在團隊形成共識后，識別出了關鍵技術并進行了攻關，提交方案后得到專家積極反饋，并在現場答辯環節后獲得了最高獎項——“未來太空學者獎”。

1? 總體方案

2018未來太空學者大會項目手冊，“天問”立方體衛星科學載荷方案征集案：團隊需要提交一份科學載荷的設計方案，該方案要提出一種有價值的科學實驗方案（如：設計一種帶有傳感器的智能系統，采集太空中或發射過程中的某些物理量數據并傳回地面），并在立方星內完成。

根據上述要求，我們提出了危險小天體預警防御小衛星總體方案，具備兩種重要功能。

功能一：掃描探測即將落到地球上的小行星并且采取一定的措施。

功能二：防止太空垃圾對衛星、火箭等的干擾。

掃描探測并將數據傳回地球，提醒地面注意并發射導彈防御。

例如，要發射一個火箭，但有一個太空垃圾可能威脅到火箭的安全。這時，我們的立方星就能讓這個太空垃圾改變運行軌跡，從而避免危險的發生。

為什么要提出這樣一個課題？

提交方案后得到專家積極反饋：

本方案描述了在地球同步軌道以激光定位探測為主要技術的小行星檢測系統，方案中設計了周期為3h，掃描角度為270°進行定位掃描的方式，通過這種方式檢測在掃描范圍內是否會出現小行星。選題比較具有時代性，能夠關注目前深空探測的熱門議題。

一般科學家進行研究時會確定方案的關鍵核心技術以及技術實施的有效性，該方案是地球同步軌道的周期性深空掃描是否能夠做到及時的預警監測。

對本方案建議從如下幾個方面進行深入研究和完善：

（1）目前各國科學家已經通過觀測建立了數十萬顆的小行星數據庫，科學家可以通過計算預測這些小行星的運動軌道，方案中可以探討在地球同步衛星軌道檢測哪些類型尺寸的小行星。

（2）建議可以通過分析數據庫設定周期性觀測的目標小行星，將觀測目標具體化，以便于從宇宙背景中區分探測到的物體是目標小行星。

針對專家的方案反饋建議，我們進行了仔細分析和有效改進，形成如下關鍵技術。

2? 關鍵技術

2.1 激光測距

想要防御小行星，首先就要做好測距。我們采用的是激光測距，該儀器是利用調制激光的某個參數實現對目標的距離測量。

若調制光角頻率為ω，在待測量距離D上往返一次產生的相位延遲為φ，則對應時間t可表示為：t=φ/ω。求解距離D公式可表示為

D=1/2 ct=1/2 c·φ/ω=c/（4πf）（Nπ+Δφ）=c/4f （N+ΔN）=U（N+）

式中：φ——信號往返測線一次產生的總的相位延遲;ω——調制信號的角頻率，ω=2πf;U——單位長度，數值等于1/4調制波長;N——測線所包含調制半波長個數;Δφ——信號往返測線一次產生相位延遲不足π部分;ΔN——測線所包含調制波不足半波長的小數部分。

總體尺寸：50mm×50mm×30mm。

主要材料：鈦合金。

設計要求與注意事項：體積較小，精確度高，反應靈敏。

能源：太陽能。

主要模塊：激光接收器、激光發射器、輔助接收器、線路傳輸接口和備用數據傳輸器。

2.2 數據傳輸

在衛星數據傳輸中，處于環繞地球軌道上的衛星作為數據傳輸的一端（發送端、接收端或中繼站），能與地面直接進行無線電通信的覆蓋面很大。因此衛星數據傳輸是實現地球上遠距離信息傳輸、處理的有力手段。

對地數據交換傳輸系統是實施危險小衛星預警的關鍵，其功能是當小行星出現威脅時，通訊系統會迅速將情況和相關數據通過無線電波傳送回地面，進行綜合處理。

總體尺寸：30mm×40mm×10mm

主要材料：鈦合金、硅晶體。

設計要求與注意事項：力求保證質量的前提下體積最小，重量最輕;精確度高，反應靈敏。

能源：太陽能。

主要模塊：無線電波收發器。

2.3 能源系統

由于我們搭載的是小立方星，我們采用的能源主要是太陽能，所采用元器件為：太陽能板、壓縮的石墨烯電池。太陽能板在載荷表面覆蓋，并有兩塊太陽能板翼存在。

根據電量計算公式

P=Ns×Np×Wp

式中：P——太陽能電池組件的總容量;Ns——太陽能電池組件的串聯塊數;Np——太陽能電池組件的并聯數;Wp——單塊太陽能電池組件峰值功率。

太陽能板設計尺寸：99m×50mm×0.002mm，電池：10mm×10mm×10mm。根據上面公式，預計每小時大約可以產19.8W電。

能源儲存原理：兩塊太陽能板翼從載荷內部展開后，與載荷表面太陽能板同時運行，太陽能板吸收太陽能，將太陽能轉化成電能，使零件能夠運行，將一部分能源儲存在載荷內的壓縮石墨烯電池內，必要時將內部電量釋放進行使用。

設計要求與注意事項：太陽能板使用超薄太陽能板，這種太陽能板是目前全球最薄、最輕的有機太陽能電池。其厚度僅有1.8～1.9μm。

3? 結語

希望能通過我們的設計，在盡量降低成本的同時，盡我們保衛地球的使命和責任，也希望小行星預警防御系統在預警小行星的同時，能對太空垃圾的處理也發揮同樣的作用。本項目從開始選題到研究方向，在研究進行的每個關鍵階段，得到了中國航天科技集團錢航博士的指導，在此表示感謝！

參考文獻

[1] 夏良毅.中國衛星投資價值分析[D].廈門大學，2014.

[2] 陳曉飛，謝志豐，陳思佳.小衛星發射方式現狀及展望[J].黑龍江科學，2018，9（9）：28-35.

[3] 史毅龍.微納衛星星座網絡路由技術研究[D].北京：中國科學院大學，2018.

[4] 徐志明.小衛星袁精彥抵控方法研旁[D].安徽：中國科學技術大學，2018.

[5] 劉三超，高懋芳.災害監測應急虛擬衛星星座及應用服務研究[J].航天器工程，2018，27（4）：127-134.

[6] 錢航.太陽帆航天器軌道和姿態耦合設計與優化[D].北京：中國科學院研究生院：空間科學與應用研究中心，2015.