波兰微小卫星技术的崛起与发展

李懿德 （1 中北大学，2 华沙理工大学）

波兰在卫星领域的发展相比欧洲几个航天大国起步较晚，并且主要以科学载荷配套和卫星应用为主。2005年，由华沙理工大学抓总的“华沙理工大学卫星”（PW-Sat）正式立项，开启了波兰自主研制航天器的序幕。随着2012年波兰加入欧洲航天局（ESA），2014年成立波兰航天局，并在2012－2014年间完成了3颗自主研制微小卫星的交付发射，该国的航天工业进入高速发展阶段。近年来，除了科研院所，波兰的民营航天企业也崭露头角，并很快成为该国微小卫星行业的中流砥柱。

1 初期国际合作研制微纳卫星

在波兰自行研制微小卫星初期阶段，主要以现有的卫星平台产品为基础进行研制，具有低成本、研制周期短、可靠性高等特点，以空间天文观测、空间维护技术试验等为科学目标实现了波兰自主研制卫星零的突破。

“华沙理工大学卫星”系列立方体卫星

“华沙理工大学卫星”（PW-Sat）系列立方体卫星是由华沙理工大学（Politechnika Warszawska）学生自主研制的系列空间维护技术试验立方体卫星，同时兼顾教学目的，目前已研制了“华沙理工大学卫星”、华沙理工大学卫星－2两个型号，华沙理工大学卫星－3正在进行方案论证，其科学载荷均为卫星寿命末期展开的被动离轨装置。其中,“华沙理工大学卫星”是波兰的第一颗人造卫星，于2012年搭载欧洲航天局“织女星”（Vega）小型固体运载火箭首飞发射入轨。该卫星是1U立方体卫星，搭载有1m长的可展开柔性太阳电池翼机构，在卫星寿命末期展开，测试太阳能电池的供电性能，同时作为增阻离轨装置使卫星尽快再入大气层。然而在入轨6个月后，卫星通信系统出现故障与地面失联，因此无法发送展开太阳电池翼的指令，导致任务失败。

2013年，华沙理工大学卫星－2立项，主要载荷为尺寸为2m×2m的离轨薄膜帆，同时还搭载了一台由学生自主研发的太阳敏感器开展在轨测试。卫星目前已进入正样研制阶段，经运载方多次推迟，预计于2018年第三季度搭载美国太空探索技术公司（SpaceX）的猎鹰－9运载火箭发射至高度为575km的预定轨道，不排除继续推迟的可能性。离轨帆在发射时被盘绕折叠并放置在直径80mm的圆柱形载荷舱内，高度不超过70mm，采用无源展开方案，仅由弹簧和弹性杆作为动力来源，以降低成本、减小体积、提高可靠性。正常展开后，卫星离轨再入的时间将由20年以上缩短至6～12个月。

在华沙理工大学卫星－2研制工作推进的同时，华沙理工大学卫星－3的方案设计也在持续进行，初步设计为3U立方体卫星，增加动力系统。该星的研制将开展国际合作，目前已确定将与哈尔滨工业大学开展联合研制。

“明亮目标探测器-波兰”双星

PW-Sat任务模拟图

PW-Sat－2任务模拟图

“明亮目标探测器-波兰”（Brite-PL）双星是波兰科学院空间研究中心（Centrum Badań Kosmicznych PAN）和波兰科学院哥白尼天文中心（CAMK PAN）于2009年底立项研制的两颗空间天文观测卫星，耗资超过400万美元，由“莱姆”（Lem）和“赫维留”（Heweliusz）两颗卫星组成。是加拿大、奥地利、波兰共同发起的“明亮目标探测器-星座”（BRITE-Constellation）工程中的一部分，共研制6颗卫星，以上3个国家各承担两颗（其中加方一颗卫星入轨后失效）。该星座旨在对银河系中明亮的（星等≤+3.5）大体积恒星进行组网观测，是国际上首个用于天文学研究的微小卫星任务，也是首个天文卫星星座。

“莱姆”和“赫维留”由波方与加拿大多伦多大学航天飞行实验室（SFL/UTIAS）联合研制，采用加方设计的“通用微纳卫星平台”，基本尺寸20cm×20cm×20cm，可被看作8U立方体卫星，外加一个凸出的磁强计，采用双层壁板结构以减小空间辐射环境对有效载荷的影响，每颗星质量7kg，姿态控制精度≤1°，采用特高频（UHF）频段的星载测控天线，数据下行链路采用S波段，最大速率256kbit/s，平台电压4.0V，科学载荷为一台3cm口径的天文望远镜。其中“莱姆”卫星的绝大部分元器件和平台分系统都由加方直接提供，并对波方研制人员进行了总装、测试操作培训，于2013年11月21日由乌克兰“第聂伯”运载火箭发射至高度800km的近地轨道。在研制“赫维留”卫星时，由于加方元器件库存不足，主要分系统的设计制造都由波兰自行承担。2013年8月12日，中国长城工业集团有限公司与波兰科学院空间研究中心签署了“赫维留”小卫星搭载发射服务合同，于2014年8月19日随我国高分－2（GF－2）卫星用长征－4B（CZ－4B）运载火箭发射入轨，高度640km。

“明亮目标探测器-波兰”卫星入轨后对圆规座α、船尾座ζ、天津四、仙王座β等银河中的500～800颗恒星进行了精确观测。开展星震学研究，即通过恒星振荡特性研究恒星的内部结构，同时记录恒星亮度随时间的变化，以监测超新星爆发。其他天体物理研究包括发光星体的生命周期、恒星内部的能量和角动量转移、恒星与星周盘的相互作用、密近双星的潮汐作用、星风扩散引起的恒星质量损失等。

“明亮目标探测器-波兰”卫星结构示意图

2 自主研发微纳卫星平台

近年，波兰各高新技术企业和新成立的商业航天公司也开始涉足微纳卫星技术领域，设计了几种有创新特点的卫星平台，面向该国军民用户，为未来的卫星装备发展打下了技术基础。

“超级卫星”模块化平台

“超级卫星”（Hyper-Sat）模块化平台是由位于皮亚塞奇诺的科瑞欧泰克仪器公司（Creotech Instruments S.A.）提出的低成本模块化开源纳卫星平台。其设计思路是在现有立方体卫星的基础上通过加大单个平台单位的体积，使其装载更多有效载荷，相比一般微纳卫星平台扩大应用范围，可用于研制空间科学卫星、光学/雷达遥感卫星和通信卫星的单星或星座。

“超级卫星”平台的单位尺寸为30cm×30cm×10cm，质量10kg，其最大构型可扩展至30cm×30cm×60cm，配套了相应有效载荷后总质量60kg。平台结构设计上预留了与开源分系统模块匹配的接口，标准模块包括电源系统和化学电池、太阳能电池、通信模块和天线，以及适用该型平台的星箭分离机构。其设计同时兼顾了快速响应的需要，从卫星任务立项到出厂仅需9个月，计划年产量10颗，对运载发射服务的合同履行时限为6个月。目前，该卫星已完成原理样机的研制，其首发星预计将于2019年完成发射。

该公司鼓励国内外各企业机构参与开源模块的设计工作，目前的合作伙伴是波兰科学院空间研究中心和华沙理工大学。

科瑞欧泰克仪器公司旨在动态开发小型卫星市场，同时避免与他国动辄数百万创投基金资助研发的大星座竞争。由于其他卫星运营商主要关注有效载荷所获取的数据，因此低成本的生产和快速的整合可能对未来的客户更有吸引力。

波兰AIS卫星

波兰AIS卫星（SAT-AIS-PL）的论证工作始于2014年，以满足海上交通安全和管理的需要。由欧洲航天局委托下列协作单位进行可行性研究（波兰工业奖励计划下的POL-SAT-AIS项目）：国家通信研究所（项目牵头单位）、格丁尼亚海事大学（Akademia Morska w Gdyni）和波兰科学院空间研究中心。论证工作得到了欧洲航天局和波兰国家部委级空间政策小组的高度评价，决定正式立项，由科研生产联合体进行领导。从2015年2月开始，工程总体单位转至科瑞欧泰克仪器公司，2016年3月正式进入工程研制阶段，后期又有协作单位加入。

Hyper-Sat单位平台结构

Hyper-Sat光学遥感卫星构型

波兰AIS卫星

AIS系统的主要用户为海事办公室、波兰军队、边防部队、海上搜救服务机构、情报机构和欧洲海事安全局。从船舶到地面站的数据传输将采用新的甚高频（VHF）数据交换系统进行升级，将在未来几年由国际电信联盟引进。波兰AIS卫星将成为该国第一颗提供实际服务的应用卫星，整个系统包括一颗质量约为40kg的微纳卫星（含两块太阳电池翼），星上搭载一台AIS接收器，一个甚高频数据交换系统模块，一个星地链路模块，以及一个用于业余无线电活动的附加模块。其中星地链路模块可实现地面和卫星之间的即时数据交换，这在海上出现紧急情况时至关重要。该解决方案还有望缩短数据检测与地面站接收之间的时间差。地面设施包含一个测控站，一个卫星指挥和控制中心，以及一个面向最终用户的AIS数据中心，所有地面设施都将设立在波兰境内。卫星交付运行后，将收集和提供广泛的数据，包括有关船只位置、路线、交通和潜在危险情况的信息。

完成整个工程预计需要7年时间，研制进度安排如下：2016－2017年完成工程任务规划，即各大系统之间的体系构建；2018－2020年完成卫星系统的总体设计，总装测试和发射；2020－2022年完成为期数年的在轨运行段，其中包括卫星寿命末期的离轨操作。

“斯韦托维德”3D打印立方体卫星

“斯韦托维德”（Svetovid）卫星是由弗罗兹瓦夫的新兴商业航天公司卫星革命公司（SatRevolution）研发的2U立方体卫星，该公司成立于2016年7月。

该卫星的结构件由铝-镁-钪合金（Scalmalloy）粉末3D打印而成，具有质量轻、强度高等特点，可承受－150°C～300°C的温度变化，这种材料也被空客公司（AIRBUS）用于飞机的制造中。同时，其独特的外形设计使其能更好地适应皮卫星轨道适配器的导轨。

“斯韦托维德”卫星是一颗科学卫星，它的主要任务是研究地球磁场的强度、变化以及热层中的重力，气象变化等。其次，搭载的光学遥感设备所获取的图像可用于气象学、海洋学、地质学和测绘学研究，对林业和农业也有潜在的辅助作用，也用于地区的国土资源开发规划，灾害风险评估和气候变化、环境监测等。另外，卫星将对地球上不同经纬度的重力场进行探测，记录随时间变化的数据。这些数据可以用来研究板块的构造、运动，并监测可能存在的威胁。

“斯韦托维德”计划2018年第一季度由美国轨道系统公司（Interorbital Systems）的海王星－N3（Neptune－N3）火箭从太平洋的一个海上浮动平台发射入轨，预计轨道高度310km，同时搭载两颗质量为0.3kg的伴飞手机卫星“水泽仙女”（Rusalka PhoneSat），其设计基于安卓（Android）系统，使用的所有的元器件都来自普通手机，卫星革命公司将验证该解决方案的在轨工作状况。

“斯韦托维德”卫星模拟图

3 发展微纳卫星星箭分离机构

在研制微小卫星的同时，波兰也开展了星箭分离机构的国产化工作，并形成了有自身特点的产品，其中比较有代表性的是在研制“明亮目标探测器-波兰”任务中的“赫维留”卫星时配套的“龙”（Dragon）分离机构。

由于“明亮目标探测器-星座”的所有卫星都使用了加拿大多伦多大学航天飞行实验室研制的“通用微纳卫星平台”，因此在首发星“莱姆”中，直接采用了该实验室原配的“试验分离机构”。在“赫维留”卫星交付发射前，研制方波兰科学院空间研究中心决定自行研制适配该8U立方体卫星的星箭分离机构，于是联合专门从事宇航空间机构研发的华沙阿斯卓尼卡公司（Astronika），仅用了2个月的时间，就完成了方案设计到正样产品试验、交付的整个研制周期，填补了该领域在波兰市场上的空白。

“龙”分离机构的总体结构由镀镍7075铝合金制成，外形尺寸282mm×320mm×287mm，总质量7.2kg。由四周壁板固定在薄底板上，另加三套机械装置：带分离弹簧的卫星推板平台、舱门与门闩装置、锁紧释放机构。其中，分离弹簧采用锥形设计，以减小压缩后的高度，控制整个机构的体积，根据7kg的卫星质量，设计初始回复力83N。为避免卫星分离运动时的摩擦损坏，推板平台上安装了两组滑轮，并在对应的主结构壁板上预制两条沟槽导轨，执行分离动作时，推板平台沿导轨向前运动，卫星主体不与分离机构发生滑动摩擦，提高了分离安全性。在压紧状态时，推板平台底部的4个锥形结构插入底板上的预制孔中，传递所有力学载荷。

锁紧释放机构采用波兰科学院空间研究中心成熟的迪尼玛线（Dyneema String）熔断方案，该方案已在欧洲航天局“罗塞塔”（Rosetta）彗星探测任务中得到充分验证，成功应用于“菲莱”（Philae）着陆器的地表及地下多功能传感器上。在“龙”分离机构的设计中，为了使用功率尽可能小的电阻热源，因此选取了0.5mm的迪尼玛线。

舱门关闭状态

开启后由“销-孔”机构锁定

整个机构的工作原理如下：卫星装入“龙”分离机构后，由锁紧杆和迪尼玛线完成舱门的压紧，运载火箭发出分离指令，电阻加热器升温使迪尼玛线熔断，舱门在扭簧的作用下快速开启，当两块门板转动到110°后由“销-孔”俘获机构锁定，卫星在弹簧和推板的作用下沿导轨弹出。

经分离试验，卫星分离速度为1.2m/s，满足运载方提出的不大于1.5m/s的要求。

4 总结

可以看出，波兰小卫星在国际上虽然是后起之秀、起步较晚，但起点高，这一点得益于其多年来参与欧洲航天局重大工程型号研制所积累的经验，加上商业航天的热潮，也起到了推波助澜的作用。对我国而言，这也是一个较好的机遇，依托重大科技专项以及“长征”系列运载火箭的高密度发射，以搭载服务、联合研制等形式开展国际合作，有助于我国航天产品“走出去”，推动两国科技交流，助力一带一路建设。