青少年探究危险小天体预警防御小卫星设计

于小雯 石政宇 吴桐

摘   要：随着技术的进步和国家需求的增加，小卫星己成为航天器发展的重要方向之一。通过立方星设计，使其具备扫描探测即将侵入到地球上的危险小天体并且采取一定措施的能力。在具体设计过程中，解决了激光测距、对地数据交换传输、能源转化等关键问题，为消除太空威胁提供了理论基础。

关键词：危险小天体  预警防御  控制  小卫星  无线电波

中图分类号：P185                                   文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）05（b）-0255-02

20世纪90年代起，我国开始加大对现代小卫星及其关键技术领域研究的投入，从此我国现代小卫星的发展便驶上了快车道。1999年5月10日，我国首颗现代小卫星“实践5号”成功发射。2007年5月25日，我国首颗皮星浙大“皮星一号”成功发射[1]。

据不完全统计，2016年500kg以下的小卫星发射数量为121颗。近几年，1000kg以下卫星所占比例已稳定保持在40%以上，由此可见，小卫星已成为航天活动的主要领域。2017年至今，太空探索技术公司（SpaceX）提出了雄心勃勃的全球卫星通信网，还有太空互联网公司（OneWeb）卫星通信网、典型的低轨遥感卫星网络、低轨移动通信网络等，这些卫星均为小卫星的范畴，数量众多。

与卫星发射密切相关的内容是星箭接口形式，不同的接口决定了不同的卫星规模，也决定了卫星的发射与分离方式等[2]。由于单个小卫星在大气掩星探测中无法满足对地球的大范围覆盖以及多点科学探测，多个小卫星可以组成一颗“大”卫星，共同完成特定空间探测任务并对采样数据进行相关的处理以获取更好的结果。小卫星星座组网因其较广的覆盖度以及有保障的稳定通信而成为各国发展战略必须抢占的太空制高点[3]。

未来小卫星发展趋势将是：在设计方面，将朝着标准化和模块化方向发展;在性能方面，随着载荷和控制技术进步，其分辨率和机动能力将会大大提高;同时大量采用货架部件以节省研制成本和缩短了研制周期;由于小卫星研制周期短、成本低，未来小卫星将是在轨星座组网的主力军之一[4-5]。

在首届未来太空学者大会发布方案征集后，我们组建青少年探究团队，针对征集通知中功能要求及指标约束进行了仔细分析，并进行了多种方案比较和论证，最终选择了危险小天体预警防御小卫星方案。该方案设想虽然超过目前工程领域能力，但作为青少年突破常规思维、发挥创新思维，不失为有益的尝试。同时，该方案在团队形成共识后，识别出了关键技术并进行了攻关，提交方案后得到专家积极反馈，并在现场答辩环节后获得了最高奖项——“未来太空学者奖”。

1  总体方案

2018未来太空学者大会项目手册，“天问”立方体卫星科学载荷方案征集案：团队需要提交一份科学载荷的设计方案，该方案要提出一种有价值的科学实验方案（如：设计一种带有传感器的智能系统，采集太空中或发射过程中的某些物理量数据并传回地面），并在立方星内完成。

根据上述要求，我们提出了危险小天体预警防御小卫星总体方案，具备两种重要功能。

功能一：扫描探测即将落到地球上的小行星并且采取一定的措施。

功能二：防止太空垃圾对卫星、火箭等的干扰。

扫描探测并将数据传回地球，提醒地面注意并發射导弹防御。

例如，要发射一个火箭，但有一个太空垃圾可能威胁到火箭的安全。这时，我们的立方星就能让这个太空垃圾改变运行轨迹，从而避免危险的发生。

为什么要提出这样一个课题？

提交方案后得到专家积极反馈：

本方案描述了在地球同步轨道以激光定位探测为主要技术的小行星检测系统，方案中设计了周期为3h，扫描角度为270°进行定位扫描的方式，通过这种方式检测在扫描范围内是否会出现小行星。选题比较具有时代性，能够关注目前深空探测的热门议题。

一般科学家进行研究时会确定方案的关键核心技术以及技术实施的有效性，该方案是地球同步轨道的周期性深空扫描是否能够做到及时的预警监测。

对本方案建议从如下几个方面进行深入研究和完善：

（1）目前各国科学家已经通过观测建立了数十万颗的小行星数据库，科学家可以通过计算预测这些小行星的运动轨道，方案中可以探讨在地球同步卫星轨道检测哪些类型尺寸的小行星。

（2）建议可以通过分析数据库设定周期性观测的目标小行星，将观测目标具体化，以便于从宇宙背景中区分探测到的物体是目标小行星。

针对专家的方案反馈建议，我们进行了仔细分析和有效改进，形成如下关键技术。

2  关键技术

2.1 激光测距

想要防御小行星，首先就要做好测距。我们采用的是激光测距，该仪器是利用调制激光的某个参数实现对目标的距离测量。

若调制光角频率为ω，在待测量距离D上往返一次产生的相位延迟为φ，则对应时间t可表示为：t=φ/ω。求解距离D公式可表示为

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

式中：φ——信号往返测线一次产生的总的相位延迟;ω——调制信号的角频率，ω=2πf;U——单位长度，数值等于1/4调制波长;N——测线所包含调制半波长个数;Δφ——信号往返测线一次产生相位延迟不足π部分;ΔN——测线所包含调制波不足半波长的小数部分。

总体尺寸：50mm×50mm×30mm。

主要材料：钛合金。

设计要求与注意事项：体积较小，精确度高，反应灵敏。

能源：太阳能。

主要模块：激光接收器、激光发射器、辅助接收器、线路传输接口和备用数据传输器。

2.2 数据传输

在卫星数据传输中，处于环绕地球轨道上的卫星作为数据传输的一端（发送端、接收端或中继站），能与地面直接进行无线电通信的覆盖面很大。因此卫星数据传输是实现地球上远距离信息传输、处理的有力手段。

对地数据交换传输系统是实施危险小卫星预警的关键，其功能是当小行星出现威胁时，通讯系统会迅速将情况和相关数据通过无线电波传送回地面，进行综合处理。

总体尺寸：30mm×40mm×10mm

主要材料：钛合金、硅晶体。

设计要求与注意事项：力求保证質量的前提下体积最小，重量最轻;精确度高，反应灵敏。

能源：太阳能。

主要模块：无线电波收发器。

2.3 能源系统

由于我们搭载的是小立方星，我们采用的能源主要是太阳能，所采用元器件为：太阳能板、压缩的石墨烯电池。太阳能板在载荷表面覆盖，并有两块太阳能板翼存在。

根据电量计算公式

P=Ns×Np×Wp

式中：P——太阳能电池组件的总容量;Ns——太阳能电池组件的串联块数;Np——太阳能电池组件的并联数;Wp——单块太阳能电池组件峰值功率。

太阳能板设计尺寸：99m×50mm×0.002mm，电池：10mm×10mm×10mm。根据上面公式，预计每小时大约可以产19.8W电。

能源储存原理：两块太阳能板翼从载荷内部展开后，与载荷表面太阳能板同时运行，太阳能板吸收太阳能，将太阳能转化成电能，使零件能够运行，将一部分能源储存在载荷内的压缩石墨烯电池内，必要时将内部电量释放进行使用。

设计要求与注意事项：太阳能板使用超薄太阳能板，这种太阳能板是目前全球最薄、最轻的有机太阳能电池。其厚度仅有1.8～1.9μm。

3  结语

希望能通过我们的设计，在尽量降低成本的同时，尽我们保卫地球的使命和责任，也希望小行星预警防御系统在预警小行星的同时，能对太空垃圾的处理也发挥同样的作用。本项目从开始选题到研究方向，在研究进行的每个关键阶段，得到了中国航天科技集团钱航博士的指导，在此表示感谢！

参考文献

[1] 夏良毅.中国卫星投资价值分析[D].厦门大学，2014.

[2] 陈晓飞，谢志丰，陈思佳.小卫星发射方式现状及展望[J].黑龙江科学，2018，9（9）：28-35.

[3] 史毅龙.微纳卫星星座网络路由技术研究[D].北京：中国科学院大学，2018.

[4] 徐志明.小卫星袁精彦抵控方法研旁[D].安徽：中国科学技术大学，2018.

[5] 刘三超，高懋芳.灾害监测应急虚拟卫星星座及应用服务研究[J].航天器工程，2018，27（4）：127-134.

[6] 钱航.太阳帆航天器轨道和姿态耦合设计与优化[D].北京：中国科学院研究生院：空间科学与应用研究中心，2015.