未来“拼”星去太空

2012-05-16林来兴

太空探索 2012年5期

关键词：电离层编队分辨率

□ 林来兴罗鹰

未来是否可以像写信一样订制一颗小卫星

对地观测卫星的分辨率重访时间

小卫星在各领域得到广泛应用，从单颗小卫星，到小卫星星座和分布式小卫星系统编队飞行，从小卫星采用全新的推进剂等先进的技术，到采取创新的设计思想，未来小卫星将有优于大卫星的功能和成本效益，其发展前景将无法估量。

未来小卫星技术发展原则

科学家预测，小卫星的未来发展将有十大原则：

一、更换小卫星信息结构，时刻保持和快速发展的信息与计算机技术同步，甚至在某些方面超前应用。要改变现有航天器在信息技术方面往往落后5年~8年的状态。

二、采用分布式系统，特别是发展具有创新应用的小卫星编队飞行。采用相互密切，协同工作的多颗小卫星，实现稀疏合成孔经（几十米到几千米）。

三、能源和信息传输不再按以前那样花费沉重质量来获得，而是改由空间传输。

四、采用电磁力和电推进来代替化学推进。当然，这些电磁力和电推进的功耗与质量需要符合小卫星要求。

五、采用先进纳米技术，微米机电系统 (MENS)和纳米机电系统（NEMS）。

六、采用全球卫星导航星座来为星上提供时标、位置、速度与姿态测量信息。

七、充分运用微星、纳星和皮星的空间飞行演示验证，从而迅速促进小卫星分类中各种小卫星（例如：微星，纳星，皮星等）逐级提升替换。

八、不断提高小卫星功能密集度，包括提高有效载荷与整星比重和小卫星分系统与部件功能密集度。

九、设计和研制低成本、高可靠性、批生产的公共部件，以及系统和标准化模块。未来小卫星将开始实现F6的功能模块和设计思想。

十、在可能情况下，实现空间消耗品的回收，保持地球轨道环境的干净。

未来小卫星的应用预测

在2025年之前，对地观测（包括光学和微波）地面分辨率有望提高1个数量级。分布式小卫星系统对地分辨率的提高和重访时间缩短将有非常明显的改变。如对地观测卫星的分辨率重访时间图所示：在图中分布式小卫星系统由目前几米地面分辨率和20小时~30小时的重访时间，将提高到分辨率优于1米，少于几小时的重访时间，将来进一步发展可接近实时。预计在2年后，可首先实现小卫星分辨率1米，质量200千克左右，每颗造价1500万美元，由10颗卫星组成的星座可实现全球覆盖，重访时间为1天，做到每日成像。全球陆地面积约5亿平方千米，每平方千米每日成像1米分辨率，其成本为30美分。这可满足民用绝大部分的要求，对军用也有巨大意义，而且经济负担很轻。

sseti-express-1(欧洲学生皮卫星）

日本小卫星xi-4

可能今年搭载在长四乙火箭发射的vesselsat-2-1重29千克

ION-F编队飞行示意图：这三颗卫星之间的间距为2千米，其轨道参数为：高度370千米、倾角51.6度、寿命为约4个月、速度7.37千米、周期90分钟

全球数据实时通信，主要将由纳型卫星组成星座来承担。

在今后若干年全世界将完成数十项小卫星编队飞行空间实验和技术演示验证，它们包括地球轨道，太阳系各行星轨道和拉格朗日平动点轨道。若这些项目演示验证成功的话，则将来太阳系各行星空间探测任务，将大部分由小卫星编队飞行来承担。再进一步转向地球轨道小卫星编队飞行，因为地球轨道编队飞行所需要关键技术，估计那时已经获得初步解决。

研究人员和卫星框架

在地球同步轨道卫星编队飞行，实现实时高分辨率光学成像。由于轨道高度离地面3.6万千米，采用普通光学成像，则需要光学口径30米~40米，仅相机质量近十吨，单颗卫星是无法实现。若采用编队飞行，有望能把这个理想变为现实。这个理想主要目标是实时高分辨率对地观测，特别对军用具有重大意义。

预计每隔五六年将有可能进行一次升级替换：微星替换小卫星；纳型卫星替换微型卫星；立方体星替换纳星。虽然在各应用领域升级替换不尽完全相同，但是随着小卫星技术不断发展和功能提高，升级替换一定会实现。同时，现代小卫星将逐渐替换目前一部分质量在1000千克~2000千克量级的大卫星。将来除了空间站、载人飞船和一些特殊用途的航天器以外，类似目前功能的大卫星数量将逐渐减少。今后空间技术和应用也会按“摩尔定律”去发展。

发展“纳星/立方体”（Nanosat/Cubesat）技术。主要应用于研究开发新技术与研制新卫星空间演示验证。

相关链接

ION-F 电离层观测纳星

ION-F 电离层观测纳星编队由三颗重量为10千克的纳星组成，是由华盛顿大学、犹他州大学和维吉尼亚工艺学院联合开发的一个电离层测量项目，其科研目标是探索电离层密度结构及其对无线电波的影响。星上装备有等离子体阻抗探测器、电子饱和流探测器，分别用于测量等离子体的绝对和相对密度。另外，还备有GPS装置以提供卫星系统的时间位置信息。电源子系统采用传统的太阳电池板和商用镍镉电池组成，卫星外表面都覆盖着太阳电池板。卫星采用的新技术包括微推进器、磁控制、系绳布署、卫星之间交互式通信、以及国际互联网操作等。

ION-F计划最基本的任务是调查电离层对天基雷达和卫星的分布式系统的影响。还将要验证卫星编队飞行和星间通信，包括从三星增加为四星编队飞行时的情况，以及先进的空间分布式系统，包括m-脉冲等离子体推进器、万向节式磁姿态控制装置、先进的系绳系统。另外还要开发一个以国际互联网为基础的卫星控制中心，使得各个大学能够实现在本校内独自控制自己的卫星，为学生、研究人员、工程师提供航天操作体验。