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纳米卫星
目录 ·纳米卫星的由来
·纳米卫星概念
·纳米卫星对航天技术发展的影响
·纳米卫星发展的途径及可行性


纳米卫星的由来

在航天发展史上,由于受运载能力及技术水平的限制,早期研制的卫星都采用小卫星方案,其重量只有几十公斤。70年代末,由于大推力运载火箭的研制成功和设计与制造能力的提高,大型多功能卫星开始出现,卫星体积不断增大,功能也越来越复杂。随之而来的是成本不断攀升,风险逐渐增加。如一枚大力神/半人马座运载火箭连同所发射的侦察卫星价值可达10.5亿美元以上, 一旦发射失败就会造成严重的损失。为此,航天界又将目光重新投向了小卫星。
1984年,美国国防高级研究项目局实施了全球低轨道信息中继(GLOMR)计划,在一年之内,以不到100万美元的投入制造了一颗数字式存储转发型中继卫星。这颗星重67.5公斤,直径04米,自旋稳定,由美防御系统公司制造,1985年10月由航天飞机上的专用分离罐成功地弹射出去,1986年脱离轨道前完成了所赋予的任务。卫星以1.2千比特/秒的速率进行数据传输,发射机最大功率为10瓦,用于接收并传输设置在极地冰帽下的水下监视器采集的数据。它的研制和使用标志着小卫星重新获得了航天界的重视。
此后,国防高级研究项目局、美国航宇局、美海军以及一些大学和公司相继研制了一系列小卫星,如多路通信卫星(MACSAT,美国)、萨里大学星(UOSAT,英国)系列卫星、韩国电信局星(KITSAT)系列卫星、通信、记录与观测多功能自主试验卫星(MAESTRO,美国)、韦伯星(美)、信息包星(PACSAT,美)和卢萨特(LUSAT,阿根廷)等等,掀起了一股研制应用小卫星的热潮。
由于技术,特别是微电子技术的进步,新一代的小卫星采用了许多小型高性能电子部件,使得它们具有一些大型卫星才有的功能,并为小卫星进一步微型化,进而发展成微型卫星奠定了基矗如新型的数据传送微型卫星可以采用最新研制的效率为30%的串联太阳能电池覆盖整个卫星表面,在阳光直射时可获得8瓦的功率,从而解决动力问题,进一步减轻质量。如果能将所有的电子器件都集成在一个直径0.1米的硅圆片上,则这个圆片可以取代卫星主板而大大减轻质量。 采用镁或复合材料代替铝,在电子系统中应用高密度组装技术,可使一颗业余无线电爱好者微型卫星质量从以前的10公斤减至5公斤,而且功能不受影响。
一般来说,小卫星重约10~500公斤,微型卫星的重量比小卫星低了一个数量级,重约0.1~10公斤。但无论是小卫星还是微型卫星, 其设计思想均未脱离传统卫星设计的巢臼——一体式结构,即自身具有某种完整的实用功能,而在现有的技术条件下,一体式结构的卫星重量很难进一步减轻。若要使微型卫星进一步减轻重量,需要从设计思想上来一个根本性的变革,用一种前所未有的方法来设计卫星,采用分散的星座式结构。基于这种思想,美国宇航公司于1993年在一份研究报告中首次提出了纳米卫星的概念。

近年来,由于军用卫星向大型化、多功能发展,随之带来的风险也不断增加。在军事领域,由于卫星的功能越来越强,其独特的优越性已越来越明显,在侦察、监视、导航、预警和c4i等系统中,军用卫星起着举足轻重的作用,已成为各主要军事强国战争体系的有机组成部分。然而现代军用卫星体积越造越大,功能越造越复杂,随之也带来了许多问题。

  一是要承受经济损失的风险。由于体积的增大,重量增加,成本提高,对卫星的发射技术要求高,一旦发射失败,就会造成难以估量的经济损失。

  二是要承受功能丧失的风险。一方面,由于功能高度集中;反而增加了卫星的脆弱性,只要其中某一部件或某一分系统损坏,就会影响整个卫星功能的发挥。另一方面,随着各种反卫星武器系统的出现,军用卫星遭受攻击的可能性越来越大。功能高度集中的卫星,一旦遭受攻击,将很可能丧失全部功能。如1981年用高能激光器,使美国一颗军用卫星中的照相、红外电子设备完全失效。1997年10月17日,美国也进行了激光打卫星试验。为此,军事部门已将目光投向了小型卫星、微型卫星

  纳米技术的发展为卫星小型化、微型化提供了技术基础。

  人们在改造自然的进程中,已经从物质的毫米一微米层次进入到分子一原子的纳米层次,纳米技术也应运而生。纳米技术的基本特征是以精确完美的控制和准确入微的离散方式,快速排布分子或原子结构,按照人的意向操纵原子、分子或原子团、分子团,制造出具有特定功能的微型设备,从而使物质加工处理技术提高到前所未有的水平。

  将纳米技术、新材料技术应用于军用卫星领域,就可以使机电系统微型化,实现新一代军用卫星袖珍化。若超导技能取得重大的突破,将进一步推动卫星向小型化、微型化方向发展。
  
  设计思想上的突破,为纳米卫星的诞生奠定了理论基础。

  一般来说,小卫星重10~500公斤,微型卫星的重量比小卫星低了一个数量级,重100克~10公斤。但无论是小卫星还是微型卫星,其设计思想均未脱离传统卫星设计“一体式”结构的思路,即自身具有某种完整的实用功能,而在现有的技术条件下,一体式结构的卫星,重量很难进一步减轻。若要使微型卫星进一步减轻重量,需要从设计思想上来一个根本性的变革,用一种前所未有的方法来设计卫星,即采用“分散的星座式”结构。采取这种设计的卫星,重量可以降到100克以下。这也就为纳米卫星提供了理论基础。

纳米卫星概念

  因此,美国于1993年首次提出纳米卫星的概念。

  纳米卫星采用mrms(微型机电一体化系统)中的多重集成技术,利用大规模集成电路的设计思想和制造工艺,不仅把机械部件像电子电路一样集成起来,而且把传感器、执行器。微处理器以及其他电学和光学系统都集成于一个极小的几何空间内,形成机电一体化的、具有特定功能的卫星部件或分系统,使装置轻小、坚固,可靠性提高,从而出现更多优势:一是卫星具有可重组性;二是分布式的星座结构,可以大大提高卫星的生存能力;三是纳米卫星重量轻,可不使用大型运载工具进行发射,其成本可比一般卫星大大降低;四是分布式的星座结构,可以多次发射;五是纳米卫星的研制将不再需要大型的实验设施和高跨度厂房,而可以在大学、研究所的实验室里进行,给研制工作带来了极大的方便,也降低了研制费用。

  纳米卫星虽然有非常诱人的前景和优势,但纳米卫星目前还停留在概念阶段,要想变成现实,还需解决一些技术问题:

  发展纳米卫星的第一步,是利用其核心技术一mems使现有卫星分系统和部件微型化,研制有较强功能的微型卫星,然后再发展分布式的空间系统结构关键技术,最终实现超小型的纳米卫星。若在太阳同步轨道的18个等间隔的轨道面上,各自等间隔地布置36颗功能不同的纳米卫星(共648颗),就可保证在任何时刻、对地球上任何一点都能进行连续覆盖与监视,相当于三颗地球同步观测卫星的功能。若在太空的不同轨道上设置1000颗具有低功率(一瓦)发射机/接收机的纳米卫星,可构成一个相控阵雷达系统,能产生有很强方向性的一千瓦射频或微波波束。

  从目前的发展来看,采用mems技术使航天器制导、导航、控制系统小型化的工作已初露端倪。

  纳米卫星的应用前景非常广阔,但要真正变成现实还有很长的路要走。


纳米卫星对航天技术发展的影响

纳米卫星采用MEMS中的多重集成技术,即利用大规模集成电路的设计思想和制造工艺。它不仅把机械部件像电子电路一样集成起来,而且把传感器、执行器、微处理器以及其它电学和光学系统都集成于一个极小的几何空间内,形成机电一体化的具有特定功能的卫星部件或分系统。这种由分散趋近集成的设计方法,可以使装置轻孝坚固,提高可靠性,轻而易举地实现航天器设计人员梦寐以求的目标,而且可以用同一工艺制作成千上万个装置,如同专用集成电路一样进行批量生产,从而明显降低纳米卫星及其部件的造价。
由于纳米卫星重量很轻,可不使用高成本的大型运载工具进行发射,其成本可比一般卫星大大降低。分布式的星座结构可以多次发射,其中某一部分坏了很容易修复和替换,承受大的经济损失和系统失败的风险几乎为零,可靠性增加。从军事上说,分散布置使系统的生存能力提高。另外,纳米卫星的研制将不再需要大型的实验设施和高跨度厂房,而可以在大学、研究所的实验室里进行研制,这也降低了它们的研制费用。
但正像任何事物都有其正反两方面一样,纳米卫星需要由一定数量的卫星形成分布式的星座系统才能实现其功能。这大大增加了系统的复杂程度,为不同功能的纳米卫星之间的连接、数据传输、功能协调提出了更高的技术要求。根据美国国家侦察办公室的看法,目前研制的小卫星的对地观测分辨率还比不上大卫星,且管理由众多的小卫星组成的卫星网络的花费比管理由少量大卫星组成的网络的花费要大。
纳米卫星发展的途径及可行性

如前所述,纳米卫星的概念是在MEMS技术发展的基础上提出来的,迄今为止还仍然是纸上谈兵。但美国宇航公司纳米技术工作组的专家们认为,用已掌握的MEMS技术制造一台在100公里高度上每个像素的分辨率为7米(对应400公里高度的分辨率为28米)、具有飞行功能的微型相机是可能的。这种相机卫星使用一个2000×2000像素的低噪声CCD阵列,其组成的探测器阵列面积可缩减至1.2平方厘米,集成到一个图像处理圆片上, 可形成完整的微型光学传感器分系统,既可提供窄角视场覆盖,又可实现宽角视场覆盖,重量可小于1公斤。
他们提出,发展纳米卫星的第一步是利用其核心技术——MEMS使现有卫星分系统和部件微型化,研制有较强功能的微型卫星,然后再发展分布式的空间系统结构,掌握关键技术,最终实现超小型的纳米卫星。
从目前的发展来看,采用MEMS技术使航天器制导、导航、控制系统小型化的工作已初露端倪。如美加州大学伯克利分校已研制了一种微型机械式加速度表,还正在研究执行机构。一直致力于研制微型惯性测量组合(MIMU)的德雷珀实验室正在努力研制在“一块芯片”上的低成本的惯性测量组合(IMU),即三轴陀螺和三轴加速度表。霍尼韦尔公司已制造出一种微型机械式陀螺,目前的研究重点是研制在芯片上的光纤陀螺。同时,该公司还在研制一种能降低敏感器尺寸的紫外光地球敏感器和星敏感器。喷气推进实验室已研制出一种隧道读出加速度表和红外探测器,灵敏度极高,体积则比常规同类仪表减小很多。洛克韦尔公司、卫星通信技术公司也都在根据各自与美国航宇局和陆军的合同,致力于研究用于制导、导航和控制系统的asim。据报道,美国已运用MEMS加工技术研制了三种使卫星通信系统微型化的微结构,即开槽波导、单片矩形波导和大型阵列波导。这三种结构充分利用了芯片表面积,极有可能被美国空军空间与导弹系统中心(SMC)计划中的微型卫星系统的设计所采用。
美国还研究了小型喇叭辐射体和反射天线及其阵列,其中一些已利用现有的MEMS工艺制造了样品,有的研究人员已成功地演示了集成喇叭天线在90、240和802吉赫毫米波的应用。
美国已研制了冷却液通道宽25微米,深200微米,导热片厚15微米的微型换热器,设计能承受的局部热量大于1千瓦/平方厘米, 固定面与工作液体之间的温差为10~20摄氏度,可用于卫星的温度控制系统。
目前的主要问题之一就是尚不掌握在半导体基片上制造微型推进系统的技术。正在研究的方案有化学微推力器、小型发电机以及光发动机等等。

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