脑洞大开的小卫星技术

Space Exploration - - 博 览 - □展鹏飞

随着小卫星技术的发展,人们逐渐从它们身上找到了更多的用途,也发现了更多的问题。许多应用在大型卫星上的器件并不适合小卫星,它们或者体积太大,或者耗电太多,或者价钱太贵。而小卫星本身也逐渐承担起更加严肃、更加业务化的工作,因此对性能有了更高要求。

在体积、成本和应用之间,小卫星应当如何找到平衡呢?当然是通过新技术的发展和新器件的研发。在这里,我们就介绍最近新出现的一些脑洞大开的小卫星技术。

法拉第先生,你该上天了

随着商业航天的兴起,参加卫星研制的企业和机构也越来越多。大家都在积极降低卫星器件的成本,让小卫星更便宜。这个理念是著名小卫星制造商萨里公司和一家叫做“在空间任务”的企业联合提出的。主要目的是向各种研究机构开放机会,萨里公司提供小卫星平台,在空间任务公司负责集成。所搭载的有效载荷最大可以达到 50千克,最小可以是一块芯片。在空间任务公司说,这实际上是给开发者提供机会,更加频繁地测试自己研制的元器件。这样的搭载价钱也不贵,搭载一块芯片的飞行费用只有 12000 美元。

当然,这样的理念用现成的小卫 星是很难实现的。因此两家企业合作启动了一个叫做“法拉第”的项目,这个名字当然来自著名电学家迈克尔·法拉第。这是一种下面大、上面小,有点像四方形基座的东西。四个斜坡就是太阳能电池,星敏感器部署在底面的角落里。升入太空后,四个斜坡可以打开,一方面为太阳电池提供更好的光照条件,另一方面也把内部搭载的载荷暴露出来。这样,载荷就可以接受辐射环境的考验,看看它们是不是能正常工作,还需要进行哪些改进。

我们之所以把“法拉第”叫做“东西”而不是卫星,是因为它确实不是卫星。实际上,它还可以用来搭载布署立方星,1U立方星的搭载发射价格是 12万美元。

具体来说,“法拉第”可以搭载的载荷分为三大类。

一类叫做“小载荷”,最少1千克,

最多 50千克,折叠起来的尺寸不能超过 50立方分米;平均功耗在50 瓦,峰值功耗不能超过180瓦;每天的数据下行量不能超过150G 字节。

第二类就是立方星,但这种立方星并不会部署到轨道上,而是一直待在“法拉第”里面,实际上是为立方星研制者提供一个在轨测试的平台。每个立方星的重量不能超过1千克,平均功耗1瓦,峰值功耗5瓦。“法拉第”上一共有5个这样的搭载位,有些位置是特意为对地观测或者天文观测预留的。

至于专门测试芯片的是第三类,叫做“毫微微”。在“法拉第”上一共有5个“毫微微”搭载位置,单个位置的重量限制是75克,尺寸限制是88.9×69.8 毫米,平均功耗0.1 瓦,峰值功率限制 0.5瓦,测试立方星主板什么的完全可以满足。

按照萨里公司提供的说法,单个“法拉第”在凑足搭载客户之后,要用 6个月的时间完成所有研制工作,发射入轨之后可以工作5年。根据目前的计划,第一个“法拉第”将在2019年发射,然后的两年每年发射一次。

还能再小一点吗?

最近,一家叫做约克航天的公司上了新闻。它虽然叫“YORK”,可是既不在纽约市,也不在纽约州,更不在英国的那个约克郡,而是在美国的丹佛市。

约克公司推出了一种叫做S级的卫星平台,自重65千克,能够承载高达 85千克的载荷,供电功率100瓦。从姿态控制精度来看,可以用作对地观测卫星。它的特点并不在于这里,而是开发快。公司号称,一天之内就能完成有效载荷与平台的集成工作。现有的生产设施可以达到年产200颗卫星的水平。平台的价格只要65 万~ 16万美元。之所以有这样的价格范围,是因为商家提供了从基本配置到豪华配置的选择,比如增加星敏感器、专用的有效载荷飞行计算机、专用的有效载荷存储器和发射机、更多太阳能电池(最高3000 瓦),甚至可以配装超高速激光下行链路和场效应电推力器。

S级卫星平台的一个卖点,是可以采用两类先进的推力器。这也是它实现较高姿态控制精度的要诀。约克公司为此选择了两个合作伙伴,一家 是位于美国本土的Accion 系统公司,一家是位于奥地利的 Enpulsion 公司。

这两家企业的电推力器各有特色,但都做到了两点:大幅度降低了设备的体积、复杂度和功耗;可以单独使用,也可以拼接成推力器阵列,实现了模块化。

Accion系统公司的产品叫做“瓦片状液体电喷射器”,其实看上去,它更像是地砖。

按照这家公司的说法,“瓦片”系统中没有传统电推力器所需要的燃料罐、泵、阀门、有毒推进剂、外置阴极和离子化室,最基本的单位就是一个焊接在电路板上的方块而已。方块的上方是网状的平面,推力就从这里产生。

哈里斯要捞过界了!

小卫星市场不但吸引着创业公司,也引来了此前不搞整星的哈里斯公司。这可不是什么小企业,而是世界知名的军事通信巨头。这家企业进入小卫星市场,带来的可能是摧枯拉朽的效应。

在航天领域,哈里斯原本只从事地面卫星站的研制。但是从新一代铱

星开始,哈里斯也进入了星上器件的研制领域。哈里斯一方面加强自主研发,另一方面收购了从事遥感器研制的 Exelis 公司。如今,哈里斯已经是世界上最大的搭载有效载荷制造商。

如果我们观察新一代铱星的外观,会发现在对地面上有两套天线。其中一套是工作在L频段的主天线,呈正方形。在它的前面,有一个白色的梯形台,上面装满了圆形的天线,形成了阵面。这就是哈里斯公司研制的 APPSTAR载荷。这是一种所谓的软件无线电设备,它打破了通信和雷达之间的界限——也就是说,用某种软件可以把它当做通信设备使用;换一种软件,它就成了雷达。作为通信设备,它也可以满足不同的需求、服务于不同的对象。

根 据 哈 里 斯 公 司 的 介 绍, APPSTAR有三大类用途:跟踪、通信和遥感。作为跟踪用途,它可以用来跟踪航船、飞机和其他信号源;作为遥感,它可以实现合成孔径雷达、可见光 /红外、激光雷达功能,还可以用于气象观测;作为通信,它可以用于宽带、窄带和保密通信。

根据实际测试,如果软件编制到位,只要不超过 15秒的切换过程,它就可以变成另一种设备。其实,美国早在10多年前研制成功的F-22战斗机上就实现了这种功能——机载雷达既可以作为雷达,也可以作为通信天线,还可以用来执行电子侦察和电子对抗任务。在目前的铱星上, APPSTAR为两家商业企业服务,提供飞机和航船位置监视功能。

新一代铱星投入使用后,在商业上取得了很大成功。其中包括APPSTAR。那么除了为别人提供载荷,哈里斯能不能自己搞卫星呢?在这个想法的推动下,哈里斯公司在航天与情报分公司下面成立了一个新的部门,叫做卫星解决方案部。进一步推出了全面的小卫星有效载荷解决方案,其中包括多种可展开天线、SPACEVIEW成像系统和一种叫做HYPERCUBE的光学遥感卫星。SPACEVIEW成像系统号称能用0.2

米的孔径实现1米的分辨率和8个频段的光谱分辨率,而HYPERCUBE把一套超光谱成像仪装进了6U 的立方星里。不过在哈里斯公司看来,立方星还是太小,不足以实现高端用户的目标。他们正在研制一种不超过100千克的新卫星平台。

除了卫星和载荷,哈里斯并没有放松传统的卫星地面设备研制业务,其中不但包括便携式地面站,还有新开发的数据挖掘系统。按照哈里斯公司的说法,这是一系列“全套解决方案”。

可靠性还是大问题

在诸多脑洞之下,是小卫星技术的迅速成长。它们已经不再仅仅是学生拿来练手的教具,也不再仅仅是技术开发的小白鼠,正在向着业务运行卫星的方向前进。但是横亘在小卫星业务化应用前面的,是“可靠性”这个拦路虎。考虑到宇航系统的复杂性和高要求,脑洞和可靠性往往是一对矛盾。对此,美国宇航局深有感触,一些负责人说,如果小卫星的可靠性不提高,是不可能进入正式业务的。

传统学生小卫星或者科研小卫星都是搭载发射的,为了凑发射机会, 经常会放弃某些测试来赶进度,如果卫星坏了,再发射一次就好。

这其中的问题在于:小卫星虽然便宜,但科学机会不见得便宜。假如用大型火星探测器携带一些小卫星来到火星轨道上,然后放出小卫星实施某些科学任务。这个时候,如果小卫星忽然坏了,那么损失掉的不仅仅是这颗便宜的小卫星,更是从地球到火星的两年一次飞行机会、好几个月的飞行时间和运载火箭的运力。某些绕地球运行的星座也面临着同样的问题:小卫星虽然便宜,但是如果因为卫星故障导致业务中断,损失就大了。

因为小卫星很便宜,所以往往倾向于采用所谓的商业元器件。但是这些元器件往往不靠谱。NASA戈达德航天中心的 Dellingr 卫星最近就遇到了这类问题。这颗卫星曾经被叫做“辐射带衰减实验”卫星,是一颗6U 立方星,后来改用这位叫做 Dellingr 的北欧神话人物命名。美国宇航局希望用这颗卫星来探索一种低成本的空间环境研究手段。所以,戈达德中心的工作人员打算和其他小卫星团队一样,用商业器件来构造这颗鞋盒子大小的卫星。

然而事实却给他们上了一课。买来的元器件拆包之后根本不能用。经 过测试发现,这种器件只要超过某个温度范围就罢工了。还有一些器件货不对板。总之问题很多。所以,团队紧赶慢赶,才让 Dellingr 赶上了8 月14日的发射。

这些问题也揭示了,为什么很多小卫星一上天就罢工了。在正规卫星研制过程中,元器件的质量控制流程要严格得多,卫星制造的高成本很大程度上也是这样来的。

当然,不能因为这样的问题,就放弃降低卫星成本的努力。所以,美国宇航局新近成立了一个“小型航天器可视化研究所”,致力于解决小卫星可靠性的问题。研究所维护着一个叫做“现役在轨宇航器件”的数据库,列出了已经经过在轨卫星验证的器件,供开发者们挑选最合适自己任务的器件。当然,这个数据库并不公开,想要的人必须向NASA提出申请,批准之后才可以拿到。★ 责任编辑:夏丹

▲ 法拉第平台

▲ 法拉第任务的徽章

▲ 法拉第的立方星载荷

▲ 法拉第平台的发射前构型

▲ Accion系统公司展示“瓦片”推力器

▲ 法拉第的芯片级载荷

▲ 法拉第的小载荷

▲ 铱星上贴满了白色天线的白色梯形台状设备就是APPSTAR

▲ 哈里斯公司是传统的军用卫星通信地面站供应商

▲ 哈里斯搭载于新一代铱星上的APPSTAR 用途很广

▲ Dellingr 卫星想象图

▲ 正在接受环境测试的 Dellingr 卫星

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