微型卫星：可互动的太空机器人

文·图/李伟

被动式微型卫星

日本名古屋大学新近开发出一种不使用发动机和燃料，可在太空中飞行并编队工作的微型卫星“MAGNARO”。名古屋大学计划于今年10月在内之浦宇宙空间观测站，利用小型固体燃料火箭“埃普西隆6号”发射该卫星，对其有效性进行测试。

卫星分为两种类型：被动式卫星和主动式卫星。主动式卫星需要借助推进器飞行，即人们通常所说的发动机，其质量和体积都比较大。被动式卫星则不必借助燃料产生动力，只须控制飞行方向和稳定性。因为不必搭载发动机，被动式卫星可在节省出的空间安装望远镜等设备，同时无需担心燃料耗尽。被动式卫星更容易实现微型化。如果用于控制其稳定性的硬件较轻，那么被动式卫星的重量可以减至100千克以下。

日本“MAGNARO”卫星是典型的被动式微型卫星。其长、宽、高分别为10厘米、10厘米、34厘米，仅重4.4千克。对于如何解决动力问题，名古屋大学的研发团队没有透露太多信息。根据日本媒体目前获得的信息，“MAGNARO”进入太空轨道后将一分为二，变身为两颗更小的微型卫星。其分离时产生的相互作用力将成为在太空中运行的初始动力。它们可以利用近地轨道上微量空气分子产生的作用力，自动调节飞行姿态和位置，再借助地球引力实现绕轨飞行。

主动式微型卫星

目前主流的微型卫星是主动式卫星。主动式微型卫星采用微小的推进系统。电推进技术是最高效的，包括使用电弧把固体燃料转化为高速等离子体的微阴极电弧推进器，用于生成离子的电喷雾系统，可制造高能离子的推进器，以及气体供给系统。利用电场加速的微型霍尔效应推进器，是理想的推进系统。

新加坡南洋理工大学、新加坡国立大学淡马锡实验室联合本地的多家技术公司，共同研发出一种微型遥感卫星。新科工程公司在该卫星系统开发和制造过程中提供了重要支持。这颗体积相当于小型冰箱、重100千克的卫星，预计将于2025年发射升空。

这颗全新的微型卫星性能优异，可在距离地面250公里的极低地球轨道上运行。它将搭载Aliena公司研发的节能发动机。该发动机是一种体积较小的霍尔效应推进器，能帮助在极低地球轨道上运行的卫星克服稀薄气体的阻力，避免它偏离轨道或进入大气层。

研发团队还开发出一款空气动力学模型，它能优化微型卫星的设计，并测量电离层的等离子和温度等数据，以研究近地轨道环境对卫星的影响。

新加坡科技公司为微型卫星研制了一款太空相机。在地面上长度仅0.5米的物体也会被它捕捉到。太空相机采用反光镜，呈现高清彩色图像。它可在供应链监测，农业、矿业及房地产行业分析等领域发挥作用。

负责领导这个项目的新加坡南洋理工大学卫星研究中心主任林炜森指出，这颗微型卫星最大的优点是具备“太空环保性能”——当它完成任务后，可在穿越大气层的过程中完全烧毁，不会留下太空碎片。由于地球轨道上出现越来越多的太空碎片，近地轨道上密集运行的卫星正面临威胁。

美国路易斯安那大学拉斐特分校的研究人员制造了一颗名为 CAPE-3的微型卫星，其直径不到20厘米，搭载该大学自主设计制造的芯片。进入近地轨道后，CAPE-3围绕地球快速飞行，能够将有关太空辐射的数据发送给空间站或飞船中的宇航员。

该项目负责人保罗·达比博士表示：“微型卫星上的探测器将提供液晶显示读数，这样宇航员就可以持续监测他们受到的辐射剂量。”此外，这颗卫星还搭载了微型盖革计数器，这样人们就可以判断其芯片的运算是否准确。

CAPE-3以每小时超过2.7万公里的速度绕地球飞行。这是路易斯安那大学拉斐特分校参与“微型卫星发射计划”开发的第3颗卫星，旨在为科学、技术、工程和数学领域的研究人员提供帮助。

美国航空航天局（NASA）系统安全工程师里兹万·莫钱特表示，研究人员正从该卫星接收数据，以便评估其每一项功能，并确保所有系统都正常运行。

需要标准化设计方案

目前全球各国已经将超过800颗微型卫星送入太空轨道。有些微型卫星由手掌大小的模块构成，边长约10厘米，重量仅1千克左右。

科学界需要标准化的微型卫星设计方案，以加快其研发、生产及投入使用的速度，同时降低成本。它必须能够兼容各种科学仪器，并在必要时保护敏感的零部件免遭高温和放射线的侵害。

早在2018年3月，IBM公司就展示了一个装有100万个晶体管，却仅有盐粒般大小的微型计算机。这类设备体积越小，运行所需的能源越少，微型卫星的重量就越轻，其发射所需的成本也就越低。

尽管业界仍然热衷诸如“猎鹰9号”这样的大型运载火箭（能够运载几百颗卫星），但一些新兴公司正在开发微型火箭，例如美国亚利桑那州的Vector Launch公司、得克萨斯州的Firefly Aerospace公司、澳大利亚昆士兰州的Gilmour Space Technologies公司。微型火箭造价相对低廉，生产速度快。其重量只有几吨——远不及重达500吨的“猎鹰9号”运载火箭或733吨的“德尔塔4号”重型运载火箭。微型火箭配有小型简易发动机（使用固体燃料），一次能够把几十颗微型卫星发射到近地轨道，而且可以频繁发射。

未来的卫星星座

成千上万颗微型卫星可以作为一个网络系统来运行。不同于利用一颗卫星来执行一项任务，卫星星座由成千上万颗卫星组成，具有更广阔的应用前景。它们搭载的仪器可以同时工作。例如，多颗微型卫星组成编队，可以分别监测地球大气中的云、气溶胶、温室气体和其他气体，并提供气候和天气预测模式，以及进行大气污染评估。

卫星星座可以有多种配置方式，例如在同一轨道上一个接一个编队，联合观测地球表面，未来还可能观测月球和火星表面。

多个微型卫星网络可以连接在一起，以增强它们的功能、适应性和反应能力。一些微型卫星配备特殊的设备后，可以用来修理、调整其他卫星。

数千颗微型卫星可以由一颗大型中央卫星搭载，在太空轨道上释放出来。它们能够接收和发送信号，可与数量较少、体积较大且具备机动能力，可充当通信或分析中心的大型卫星配合工作。

最终，微型卫星组成的星座可能像神经网络那样运行。我们可以充分利用微型卫星的群体属性，比如自我组织能力、可变形性、自主学习能力和感知大范围空间的能力——如同波兰科幻作家斯坦尼斯拉夫·莱姆在《无敌》（The Invincible）一书中设想的那样——未来的太空中将布满能够实现互动的微型机器人。