从大卫星到纳卫星

目前，世界上的人造地球卫星正朝着越来越大和越来越小的两个方向发展，即一方面研制综合型高功率的大型卫星，另一方面研制重量轻微型化的小型卫星。人们往往对大卫星比较关注，殊不知小卫星也有其不可替代的独特优势。

　　

　　小卫量的突出优势

　　

　　从人造地球卫星的发展史来说，研制小卫星并不是新生事物。从1957年开始升空的世界上第一批人造卫星均属于小卫星。后来随着卫星应用需求的扩大、运载火箭发射能力的提高以及冷战时期军用预算经费的增加，使大型卫星在20世纪80年代中期之前成为卫星事业发展的主流。与此同时，大型卫星技术复杂、研制周期较长、研发与制造费用高、风险性大等弱点也逐渐显露出来。这种情况，随着冷战结束、军事预算减削和高新技术的进步，尤其是新材料、微电子、微机电、高效能源和计算机、仿真等技术的飞速发展，导致在世界首颗卫星上天30年之后，航天领域在研制大型卫星的同时，又开始了重视卫星的小型化工作，出现了大、小卫星并举的局面。

　　但是，目前的小卫星研制工作并不是早期小卫星的简单回归，而是一个质的飞跃。新一代小卫星亦称现代小卫星，是按照更好、更省、更快的原则发展起来的，是在新的科学技术基础和新的生产力水平上涌现的，其技术密集程度和功能密度都大大提高，正在促使卫星技术发生深刻的变革。日新月异的高度集成化和轻量化等技术，也为小型卫星的兴旺发达提供了条件，促进了星载遥感器、探测器、转发器、照相机等科学仪器和设备部件的小型化，使其个儿小本领大，已广泛用于通信、遥感、天文、试验和其他许多方面。

　　现代小卫星不仅拥有体积小、重量轻、技术含量高、性能好、可靠性强、研制周期短、制造费用低、发射灵活和不易被摧毁等一系列优点，而且能较快地采用新技术成果、容易改型、研制规模小、生产效率高、适应性强、便于管理、风险性低，因而具有广阔的发展和应用前景，越来越走红。它既可单星使用，也能组成星座使用，并推动地面站向小型化、标准化、机动化、灵活化方向发展。如美国空军1990年5月发射的两颗各重68千克的多址通信卫星，在上世纪90年代的海湾战争中发挥了重要作用。再如由66颗小卫星组成的铱星通信系统和由48颗小卫星组成的全球星通信系统，都在近地轨道形成环球网络，不仅能替代均布在赤道上空静止轨道上的三颗大型通信卫星的功能，而且可覆盖地球两极地区，实现真正的全球通信，非常方便地在任何时刻为任何地区的用户提供电话、文传、加密资料传送及传呼等服务。

　　1999年，美国运载火箭多次发射失败，价值连城的大型卫星也同归于尽，造成几十亿美元的损失。当时就有航天专家指出，若用数颗小卫星来代替一颗大卫星则可以分散风险，并能互为备份，即使在发射或在轨运行期间有个别牺牲也无伤大雅，对整个卫星系统影响不大。星座中万一有卫星坏了，只要进行补网发射即可填充。而大卫星损坏了，不仅经济上损失巨大，而且还会影响所覆盖地区的社会秩序。例如，1998年5月19日，美国“银河”4号通信卫星突然发生严重故障，结果使全美90％的寻呼机无法工作，一些银行、电视广播和服务系统也不能正常运作。由此可见，用小卫星群“以十保一”比大卫星“以一当十”可靠得多。

　　小卫星技术还带动了空间探测器的微型化，并收到了良好效果。以往的深空探测器均耗资巨大，如“伽利略”号木星探测器和“卡西尼”号土星探测器等，其造价都达到十几亿甚至几十亿美元，结果导致空间探测活动举步维艰。为此，美国从20世纪90年代开始研制小型深空探测器，结果获得了出人意料的成果。如1997年在火星软着陆的“火星探路者”着陆器仅重360千克，它还携带了一辆重10千克的火星漫游车，虽然其费用只有20世纪70年代“海盗”号火星着陆器的五分之一，但却传回了大量有用的数据资料，可谓物美价廉。1999年7月31日撞击月球的美国“月球勘探者”号探测器也仅重295千克，于撞毁前的在轨飞行期间曾探测到月球上有大量水冰，当时在全世界引起轰动。

　　

　　现代小卫墨研发特点

　　

　　迄今世界上已有20多个国家和地区开展卫星的开发和研制工作，正在太空运行的小卫星近500颗。关于小卫星的分类，目前国际上尚无统一标准，通常都是按重量大小区分的。按照以成功研制发射过多颗小卫星而闻名于世的英国萨瑞大学的分类办法，小卫星可分为4种类型：重为1000千克～500千克者称作小卫星，造价约为5000万～2000万美元；重为500千克～100千克者称作超小卫星，造价约为2000万～400万美元；重为100千克～10千克者称作微型卫星，造价约为400万～100万美元；重为10千克以下者称作纳米型卫星，造价不到100万美元。还有的航天专家提出研制重量更小的皮米型卫星和芯片型卫星的方案，其造价也更为便宜。

　　就一般卫星而言，分系统重量占整星重量比例大小的顺序为电源、结构和姿态控制推进系统，依次分别为37％、26％、21％左右。而从投资情况看，与上述顺序完全相反，分系统占整星的比例次序却是姿控约为15％、结构约为13％、电源约为10％。显而易见，重量大和投资多的分系统是小卫星研制过程中必须攻克的重点问题。从降低重量和提高功能密度来说，卫星的姿控、结构、电源三个部分的可挖潜力很大。事实上，各国研制和发射的现代小卫星，都在这些方面下了功夫并取得了一定程度的进展，获得了越来越明显的成效。

　　现代化小卫星的发展已经历了两个阶段。第一阶段是从20世纪80年代中期至90年代初期，称为探索研究阶段，主要取得了采用微电子学、高速计算机等方面的经验，扩大了小型卫星的应用范围。第二阶段是从20世纪90年代初期到90年代末期，成为发展应用并初步形成规模阶段，主要是采用了高新技术成果，成为名副其实的性能高、成本低、研制周期短的现代化小型卫星。21世纪初，现代小卫星进入第三阶段，主要是大量采用最新科技成果、全新设计概念和先进的管理方式，实现现代小卫星的快速发展，科学高效的管理机制，包括矩阵式管理模式。英国萨瑞大学小卫星公司就是集设计、制造、管理和技术转让于一身的高效研制机构。

　　发展现代小卫星代表了一种新思想、新趋势。它突破了传统的一星多用、综合利用的设计思路，不追求全面、综合、完美，而是主张简化设计，采用成熟技术和模块化、标准化的硬件，以便实现通用化和组合化，只要不伴随单点失效，则应尽量减少备份或无备份。这就决定了必须下大力气探索和选择新途径，再沿用大型卫星研制的老套子是不行的。外国在小卫星的开发中很重视率先解决计算机辅助设计和管理等软硬件的集成问题，积极建立各层次设计数据。经验证明，落后的设计、制造工艺和工作环境无法实现小卫星的发展，采用全新的技术途径也必须有现代设计手段的支持。由于用小型卫星组成的星座数量多，因此必须批量生产。美国铱星和全球星的生产采用了全新的方式，20多天就制造一颗卫星，令人耳目一新。

　　迅速发展的现代小卫星，其特殊的用途之一就是能够比较经济地进行空间技术试验。美国已用小卫星进行了多次这样的试验，其中有一种名叫“空间试验平台”的系列卫星水平较高。该系列的每颗卫星重500～180千克，工作寿命1～3年，运行在近地轨道，适应性较强。它可根据任务需要，在较短时间内完成总装、测试和发射。美国还于1997年8月和12月发射了“刘易斯”小卫星和“强力二号”小卫星。前者是小卫星技术倡议中的一颗，用于探讨更快、更好、更省的发展方针，后者用于验证多项新的空间技术。另外，现代小卫星所具有的特点，还决定了它在军事方面可以大显身手。它可根据战场需要及时进行应急发射，即使战后报废也无所谓，因为从一场高技术战争的费用来看，这笔小的支出还是很划算的。正缘于此，一些国家竟相研制形形色色的军用小型卫星。

　　

　　中国小卫星概述

　　

　　为了探测近地空间的带电粒子环境，研究其对航天器的影响，我国于1994年2月8日成功发射了“实践四号”卫星。该星是高性能的小型科学卫星，使我国首次获得了海拔200～36000千米之间的空间环境参数和高能粒子效应资料。1999年5月10日升空的“实践五号”是我国第一颗采用公用平台思想设计的小型科学试验卫星，其性能达到国际水平。它在空间单粒子效应及其对策研究方面取得了可喜成果；出色地完成了空间流体科学试验；首次在我国卫星上成功地应用了国际上先进的数据传输标准等。这些试验结果和数据资料对我国新型航天器和电子信息系统的设计具有重要意义。

　　2000年6月28日，由中国航天科工集团公司、清华大学、英国萨瑞大学合作研制的“航天清华一号”微型卫星，用俄罗斯的宇宙－3M运载火箭从普列谢茨克航天发射场发射升空，进入高约650千米的太阳同步圆形轨道运行。该卫星不仅首开国外火箭发射国产卫星的记录，而且也是我国参与研制的首颗微型卫星。同时，它还开创了我国大学研制卫星的先河，为我国航天技术创新开辟了又一途径。重50千克的“航天清华一号”卫星。在地面探测系统配合下，进行了多种科学试验。其突出特点是，具有在轨运行期间再上载软件的功能，可随时通过上载新的软件改变卫星的任务，并及时修正宇宙高能粒子对芯片辐射而导致的程序突变问题。星载斜置照相机，结合星体低速自旋，能实现较大的观测视场。它还研究了自然灾害的监控与预报技术。与“航天清华一号”同时升空的还有分属英国和俄罗斯的两颗小卫星。

　　2003年10月21日，中国科学院研制的首颗微型卫星“创新一号”发射升空，进入751千米高的圆形太阳同步轨道运行。卫星重88.8千克，装有处理转发器和收发天线等有效载荷，可在交通运输、环境保护、防汛抗旱等数据信息传递中发挥重要作用。同年12月14日，中国科学院在上海微系统与信息技术研究所举行了上海微小卫星工程中心/中国科学院微小卫星联合重点实验室挂牌仪式，标志着我国微小卫星步入新的发展时期。

　　2004年4月18日，“试验卫星一号”和“纳星一号”一块发射升空。前者重204千克，采用了一体化设计思想，应用了基于磁控和反作用飞轮控制的姿态捕获、高精度高稳定度姿态控制、自主运行管理等多项前沿技术，是我国第一颗传输型立体测绘微型卫星，主要用于国土资源摄影测量、地理环境监测和测图科学试验。至同年7月18日，卫星在距地面597千米高的太阳同步轨道运行了1345圈，完成了规定的全部试验项目，演示验证任务取得成功。后者重量不到30千克，是当时在轨运行最小的轮控三轴稳定卫星，主要用于微型卫星轨道保持与变轨试验、CMOS相机对地成像试验、卫星程序上载与软件试验，以及数据传输、遥感摄影、姿态控制等试验。该星完成了规定的任务，标志着我国已成为进入这一领域的少数国家之一。

　　2004年11月18日，“试验卫星二号”发射升空。该星重为300多千克，是一颗科学试验微型卫星。它采用性能先进的CAST2000平台，整星特点达20多项，其中有多项技术创新，从而开创了小卫星应用的新局面，为后继同类卫星的研制奠定了坚实的基础。

　　我国相继成功发射的多颗不同重量、不同用途的小卫星，在科学试验、资源普查、灾害预报、地貌测绘、环境勘探和农业监测等领域发挥了独特作用。研发小卫星是我国利用空间技术服务经济建设、造福人类的一条重要途径。目前我国正在研制环境和灾害监测小卫星，并要在太空建立星座系统。

　　为适应日益增长的小型卫星发射任务需求，“十一五”期间我国将开展用于发射小卫星的新一代小型运载火箭研制。发射周期5～7天，700千米太阳同步轨道的运载能力为500千克，具备双星或多星发射更小重量级卫星的能力。新一代小型运载火箭采用无毒无污染的液氧／煤油发动机，适应绿色环保要求。

　　

　　责任编辑　庞　云