纳卫星的世界

宋心荣

近年来，小卫星无疑是航天技术发展的重要方向之一。在小卫星中，质量在1～10千克之间、具有实际使用功能的卫星被称为纳卫星。纳卫星因其低廉的制造和发射成本而更受欢迎。

纳卫星的源起

传统的人造地球卫星往往一颗卫星搭载多个有效载荷，以实现不同功能，这就使得整星的质量很大，其平台的设计和建造都需要相当的技术水平。对于一般的机构和个人来说，建造这样的卫星几乎是不可能的事情。然而，随着20世纪90年代以来电子技术的发展，单一有效载荷的质量大大下降，这就使得建造仅搭载1～2个有效载荷的纳卫星成为可能。不过，对于缺乏实际经验的一般机构和个人来说，如何设计仅有尺余大小的纳卫星就成了头号难题。

早在1995年，斯坦福大学的空间与系统开发实验室就开始让研究生尝试独立设计、建造OPAL（Orbiting Picosatellite Automatic Launoher，意为“绕轨皮卫星自动发射器”，皮卫星比纳卫星更小，泛指重量小于1千克的卫星）系列微卫星。每颗OPAL微卫星携带6颗皮卫星，在轨道上将皮卫星发射出去。OPAL母星和各皮卫星都携带有磁力计，可以测量附近空间的地磁场。然而，学生们设计出的皮卫星规格各异，发射起来很困难，往往需要配备复杂的发射装置才能发射入轨。于是，负责学生卫星项目的斯坦福大学的鲍勃·特威格斯教授找到了美国国防部高级研究计划局（DARPA）寻求资金用于研制新的皮卫星发射机构。在DARPA的支援下，特威格斯教授做出了一个简单的发射机构，将皮卫星固定在一个推板上，弹簧推动推板，将皮卫星送入轨道，他将之命名为“皮卫星轨道释放器”（POD）装置。POD装置简单实用，质量也很轻。—经发明，立刻受到各界的好评。

POD装置不仅仅能用于发射皮卫星，同样也能用于发射纳卫星。POD装置的推出促进了纳卫星星箭接口标准化的进程。因为实现星箭接口标准化对星箭双方均有重要意义，有利于卫星开展模块化设计，并降低星箭接口协调成本，提升发射效率。在实现星箭接口标准化的诉求下，特威格斯教授和加州理工的皮格萨拉教授于1999年提出了立方体纳卫星规范（CubeSat）。

立方体纳卫星规范的提出具有划时代的意义。其标准的发射接口和设计规范、低廉的制造和发射成本使得纳卫星的设计变得容易起来，纳卫星的发展从此步入快车道。

立方体纳卫星规范规定，尺寸为10厘米×10厘米×11.35厘米，质量1.33千克为1 U纳卫星。纳卫星的长宽均为10厘米×10厘米，高度和质量都是前述基本单元的倍数，2U纳卫星的质量则为2.66千克，尺寸为10厘米×10厘米×22.7厘米。同理还有0.5U，1.5U，或3U纳卫星。满足这一规格的立方体纳卫星就都可以用POD装置发射。目前发射的绝大多数纳卫星都是基于立方体纳卫星规范设计的。

立方体纳卫星规范不仅仅限定了纳卫星的尺寸和质量，还对纳卫星的结构、推进系统等方面提出了诸多要求。立方体纳卫星的结构并不复杂，均为1个以铝合金为框架的立方体或长方体。结构中的所有材料的热膨胀系数必须相同，以免卡在发射机构中。纳卫星与发射推板接触的那面还应包有橡胶，以避免冲击力损坏卫星。在这样小的空间内，紧凑地安放着防辐射的星载计算机，姿态控制装置，有效载荷，推进装置和通信装置。大多数立方体纳卫星仅携带1～2个科学仪器作为其任务有效载荷。

在实际任务中，立方体纳卫星多是“搭便车”发射，作为发射配重打上去的。因此，其绝对不能威胁到发射任务的安全，危害主要卫星。所以，立方体纳卫星规卫星规范特别强调，纳卫星气体储罐内的压强不能超过1.2个大气压，只能储存化学能为100瓦时以下的燃料，而且不能使用有毒燃料。这样纳卫星就不易爆炸，即便爆炸，其威力也很难伤到主要卫星。但这一限制给纳卫星的推进系统设计造成很大麻烦。因为目前的空间推进系统都是采用高压贮藏高能量密度的燃料，以产生较大推力并保证较长的工作时间。而纳卫星却被人为地限制了推力。由于有诸多限制，目前纳卫星一般选用惰性气体推进和化学推进。使用惰性气体最为安全，不过由于气压受限，推力只能用于维持轨道，想变轨则需使用化学推进系统。目前纳卫星主要使用氢氧燃料的双组分小型火箭发动机。

由于空间有限，无法携带太多燃料或压缩空气，立方体纳卫星一般采用反作用飛轮和磁力矩器联合的姿态控制系统。因为这一系统无需消耗压缩空气或燃料，最节约质量和空间。

立方体纳卫星太阳能电池面积有限，电力受限，通信装置的功率也因此被限制在2瓦左右。立方体纳卫星一般使用VHF，UHF，L，S，C和X这几个频段的无线电通信系统。为了加大通信距离，其一般使用高增益天线。

基于上述规范，一大批成功的立方体纳卫星被设计和建造出来。其中比较著名的有斯坦福大学研制的QuakeSat系列地震探测卫星，加拿大的多伦多大学研制的CANX系列太空试验平台和东京工业大学研制的Cute系列星地通信试验卫星。2003年6月30日，世界上首批6颗立方体纳卫星搭乘SS-19洲际弹道导弹改造的“呼啸”号火箭从俄罗斯的普列谢茨克发射场升空，成功进入太阳同步轨道。由于立方体纳卫星成本低廉（1U立方体纳卫星建造仅需约5万美元），可以实现空间科学研究和教学以及新技术演示验证等多种任务，其规范一经验证成功后得到广泛应用。立方体纳卫星规范推出后，纳卫星的发射数量从2003年的7颗已经上升到了2014年的141颗。而在2017年世界各国制定的卫星发射计划中，纳卫星的数量更是高达惊人的569颗，足见其发展之快。

纳卫星专用的运载火箭

虽然纳卫星本身很便宜，但是其发射费用却仍旧不菲。使用目前主流的运载火箭发射1颗1U纳卫星进入近地轨道需要花费10万美元，而1颗3U纳卫星的发射费用更是高达40万美元，远远超出了纳卫星本身的造价，这严重制约了纳卫星市场的发展。于是，各家商业航天公司都把目光放在了降低纳卫星发射成本上。各种纳卫星运载火箭应运而生。其中美国万有引力航天公司的纳卫星运载火箭（NLV）算是比较先进的一个。

万有引力航天公司（GSC）总部位于加利福尼亚州的长滩，是一家小型研发型公司，主要经营先进空间技术和运载火箭的开发。NLV火箭是万有引力航天公司和加州大学长滩分校联合研制的两级入轨纳卫星运载火箭。其目标是能将10千克的有效载荷发射到高度为250千米的近地轨道。整个项目对单位质量的发射成本进行了严格控制，力求低于传统运载火箭。

NLV火箭降低成本的一个很重要的方法就是通过提升火箭发动机效率，减少燃料消耗，减轻火箭质量。为此，万有引力公司特别选用先进的气动塞式喷管火箭发动机作为一子级发动机。这种发动机比传统的钟形喷管发动机紧凑得多，在各种飞行高度上都能以最佳膨胀比工作，大大提高了工作效率。NLV火箭各级均装有降落伞，发射后可回收并二次使用，以最大限度地节约成本。

2004年，万有引力公司完成了火箭的初步设计，制造出了一个缩比模型。6月，气动塞式喷管火箭发动机完成了静态试车。2004年12月4日，NLV缩比模型在位于莫哈维沙漠的发射场进行了首次试射。试射主要是为了试验火箭发动机。值得一提的是，该火箭从运抵发射场，到发射，再到回收，都是在24小时内完成的。

2005年5月24日，NLV全尺寸模型在加利福尼亚州的莫哈维沙漠试射成功。火箭最大飞行高度约为915米，随后通过降落伞回收。2005年10月，新的NLV全尺寸模型进行了试射。这一次火箭实现了回收后24小时内的再次发射，验证了NLV快速可重复使用的能力。

2007年，万有引力公司研制出了推力为2吨的气动塞式喷管火箭发动机。从2007～2011年，NLV全尺寸模型一共进行了13次试射。通过不断地试射，万有引力公司改进了火箭设计。火箭的最大飞行高度从1 000米左右上升到130千米。同时，万有引力公司推出了升级版的NLV火箭设计，其能将20千克的有效载荷送入高度为450千米的轨道。2011年10月19日，NASA和万有引力公司签订了发射合同，资助其完成NLV火箭的实用化，并将NASA的纳卫星发射计划的一部分卫星包给万有引力公司发射。

NLV火箭只是世界上同期开展的数个纳卫星运载火箭项目之一。前一阵子日本试射的超小型火箭也属于纳卫星运载火箭。先进的可重复使用火箭发动机是这些纳卫星运载火箭的共性，也是目前航天技术发展的前沿。未来，这些小而精的纳卫星运载火箭有望将1U纳卫星的发射成本降至30 000美元甚至数千美元。这无疑将为纳卫星的蓬勃发展创造条件。

展望

当前纳卫星的发展方向主要有二，一为组建纳卫星星座，一为驶向深空。单一纳卫星能干的事情总归有限，而数十个纳卫星组成的星座功能就很强大了。搭载光学照相机的纳卫星星座能够对地球上任何地点进行连续的侦察。纳卫星星座在科学研究领域也有着巨大的潜力。国际合作的QB50项目就是通过纳卫星星座来观测大气层热层的物理特性。同时，纳卫星现阶段主要工作在近地轨道。如能使用纳卫星执行深空任务，可大大节约发射成本，增加深空任务的次数，对人类探索月球及其以外的宇宙空间具有重大意义。NASA最近就推出了“立方体纳卫星任务挑战”，鼓励商业航天公司研发深空纳卫星。“立方体纳卫星任务挑战”悬赏500万美元给第一个设计、制造出能够在月球及其以外深空保持和地面的通信，并独自开展探测活动的纳卫星的团队。除了鼓励商業航天公司创新，NASA自己也研制了2颗用于执行深空任务的6U纳卫星。它们将被发射到火星轨道上，用于中继火星着陆器和地球的通信。如果这一任务成功，那将是纳卫星首次成功执行深空任务。

在这两大发展方向中，驶向深空的难度要比组建纳卫星星座大得多。而通信问题和推进问题则是妨碍纳卫星驶向深空的核心因素。纳卫星的无线电通信系统受尺寸和功率限制，有效通信距离不长。纳卫星要想驶向深空，在通信技术上还需更多创新。而纳卫星的推进系统则受限于严格的安全标准，不能使用高能燃料。因此，其不能自己变轨，甚至不能长期维持在现有轨道上。结果导致纳卫星寿命普遍较短，无法长期执行任务，这对于执行深空任务是很不利的。

不过，这两大技术难题也并非不可解。首先，纳卫星运载火箭的研发使得纳卫星可以独立作为载荷发射，不再需要考虑主卫星的安全。这会减少对纳卫星燃料使用的限制，纳卫星可以直接使用传统燃料解决推进问题。此外，萨里卫星技术公司也已经研制出了使用相对比较安全的以酒精和水作为燃料的超小尺寸火箭发动机，有望解决纳卫星的推进问题。最后，NASA研制的用于执行火星任务的MarCO立方体纳卫星采用了新型的大平板X波段天线，为解决纳卫星的深空通信提供了新的思路。所以，纳卫星突破技术瓶颈，大展身手的那一天即将来临。

责任编辑：王鑫邦