【航天甲子年50讲】 11 微小卫星

文:晟宇(视频讲解)

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前言


微小卫星最近十年来的发展带来了很多改变,这些改变在诸多方面重塑了我们对于卫星和航天的理解。数以百计的微小卫星进入太空,更多人群得以通过微小卫星降低的航天门槛一窥太空探索之瑰丽面容。虽然怀着不同的目的,却同样将微小卫星这项事业炒得火热。


什么是微小卫星


既然要说道说道微小卫星,首先就要说说什么样的卫星叫做微小卫星。由于对于微小卫星的划分有很多,这里选取了相对获得大多数人认可的,以重量来划分的方式。


  • 小卫星:100kg-500kg
  • 微卫星:10kg-100kg
  • 纳卫星:1kg-10kg
  • 皮卫星:小于1kg






我们可以看到大卫星和小卫星在体量上的巨大差别,绝大多数的小卫星都比一个成年人个头要小,纳卫星和皮卫星更是和我们的手机水杯的大小无异。


那么为什么卫星之间的大小差别会这么大呢?


这个我们还要从最早的人造卫星说起。人类对于太空探索的梦想实际从洪荒时代就有了,我们可以回想一下《2001太空漫游》中的黑石碑。跨越万年的梦想突然从二十世纪开始爆发。


十九世纪的儒勒凡尔纳等人的科幻小说已经开始很认真地用科学知识推演太空探索的方法,之后突然间有了齐奥尔科夫斯基、戈达德、奥伯特,于是航天大幕揭开。人类开始了空间探索。具体历程详见【航天甲子年50讲】 01 飞天


越造越大的卫星







当人们有了火箭,把什么送进太空就是一个需要考虑的问题,例如宣告自己存在最好的方法就是发出声音于是有了第一颗人造卫星Sputnik 1。





Sputnik 1


任务简单,所以Sputnik的重量也只有84kg。美国的第一颗卫星Explorer 1也只有13.97kg。所以我们看到最初的卫星就是微小卫星。那么为什么后来卫星越造越大了呢?


首先是对卫星应用需求的提升,简单的将就是卫星任务变复杂了。随着太空探索大大幕拉开,人们发现发射卫星并不仅仅有炫耀国力的好处。空间的广阔,卫星的高速飞行为侦察、通信、国土资源调查、科学研究等等活动开拓出了一个新的疆域,于是为了实现这些应用,卫星系统设计的也就越来越复杂。同时随着对空间环境恶劣性的了解,针对辐射环境、热环境的应对系统设计也使得卫星添加了很多重量。


如今的卫星已经实现了非常强大的能力。通信卫星实现了几百个G的系统容量、遥感卫星实现了分米级别的分辨率和米级的定位精度,造出了数米口径的太空望远镜。这些复杂的系统花费了高昂的制造经费,因此就要花掉更多的经费来保证这些花费的可靠,容忍失败的空间一缩再缩。


这些大家伙的研制周期也越来越久,慢慢地空间的技术不再是引领的技术,很多地面的技术开始超过甚至远远甩开太空的技术。铱星前期的失败正是没有追赶上地面移动通信技术的快速发展。让我们来聊聊空间网络[第二弹]从铱星说起


微小卫星的再次兴起


正是由于大卫星存在大有大的难处,所以微小卫星的春天再次到来。







最近十多年来,微小卫星进入了一个快速的发展期,不但在数量上快速攀升,在应用上也呈现出极其多样的特征,那么其后的原因是什么呢?





技术发展趋势与收益


大卫星由于其复杂性与航天高可靠性的双重要求下使得其技术的进步与收益的增长受到了限制,于是小卫星迎来了机会。这里可以想象一下独角兽和小创业公司的区别,真实由于有些领域独角兽受到其体制的限制,于是往往会落后于一些创业公司。




小卫星与大卫星


我们再来看看大卫星与小卫星的区别,我们看到很多方面绝大多数的星上能力小卫星都远远低于大卫星,但是小卫星最大的好处就是其对于风险的包容性。重量越大自然可以实现的功能也就越多,但是我们知道航天上重量就是价格,越重的卫星自然成本也就水涨船高。所以很多语境下微小卫星都和低成本挂钩。正是由于成本较低,所以失败是可以承受的,那么在此基础上,新技术就获得了好大的探索空间。


事实上,小卫星也一直都作为技术验证的重要平台。但是随着更小的卫星以及标准(立方星:以10cm见方作为一个单元U的小卫星标准)的出现,使得越来越多的人群可以进入到太空技术验证的事业中,所以大大促进了技术进步。




不同的单元U数量立方星对应的微小卫星划类


发展到今天很多小小的卫星不但可以用来技术验证,也能实现实际的应用为制造它们的企业产生利润和价值。细节请看我今年早些时候的文章:印一箭104星后面我们最应该知道的事实:商业航天进入全面加速期,鹿死谁手犹未可知,笑到最后的只有独角兽


个头虽小本事大


那么这些小卫星和早期的小卫星相比如何呢?




答案是能力已经大大增强。小卫星得以实现较大的技术提升首先得益于技术的进步,这也是微小卫星的价值所在。小卫星由于研制周期较短可以实现很快的技术迭代,将微电子、材料等领域的新兴先进技术快速应用到航天上来,因此卫星虽小用的却都是很前沿的技术。


同时伴随着立方星的推广,微小卫星的单机部件生产商也蓬勃发展因此在每一个分系统上都实现了较高的技术水平。







控制系统




星载计算机






星敏感器





推进系统


高功能密度


在各单机的功能水平都快速增长的支持下,麻雀虽小五脏俱全的微小卫星不但实现了较为全面的功能,能力也不弱,达到了较高的功能密度水平。与此同时的实现成本还较低,使得这些原本应用于技术验证的微小卫星开始逐步迸发出越来越有前景的应用能力。





例如利用数百颗3U立方星打造地球扫描仪的Planet公司。他们的鸽子卫星就实现了一个几公斤的卫星不但能稳定的姿态控制,还能实现地面3到5米的遥感影像的获取。






关于Planet的鸽群Flock星座是如何打造地球扫描仪的请看我的文章:为你详解搭载印度火箭一次发射了88颗星最近炙手可热的行星(Planet)公司是如何用5公斤的小小卫星打造一台地球扫描仪的~。这个微小卫星星座实现了每天扫描地球一次,带来了人类空间认知的全面升级。





比Planet的Dove鸽子卫星更大一些的卫星例如Skysat卫星就是实现了更高分辨率的成像,以及视频的获取。





由于这些微小卫星越来越强的能力,还有很多很多的潜在应用值得挖据,造福于我们人类的生活。




人(星)多力量大-数量优势


微小卫星的优势还不仅仅是快速的技术迭代。由于较低的制造成本,微小卫星还可以大规模的生产制造,从而实现空间的人(星)海战术,来获得更高的空间覆盖,更复杂的空间协同。





能挣钱就有源源不断的生命力


微小卫星如此的火热来源于很多投资机构开始关注以微小卫星为代表的商业航天的大环境所驱动。很多通过微小卫星创业的初创公司大量涌现,开始开拓出一些非常有潜力的应用领域。产生价值获得盈利会使得微小卫星的发展更加顺利,然而依然有很多难点,因为小有小的灵活,也有小的难处。可以看看我早前的文章:观点 | 微小卫星产业发展的思考






这次分享我们提到了微小卫星数量上的优势,那么这些优势是如何发挥作用的,请继续关注下一次的分享:空间分布式系统。



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参考文献


1.Allan .A Systems Engineering Tool for Small Satellite Design

2.Arizona State University, Tempe, Arizona Small Satellite Propulsion

3.Catherine Venturini ,Small Satellite Technology: Industry Update

4.NASA.Small Spacecraft Technology State of the Art




[航天甲子年五十讲] 往期回顾


【航天甲子年50讲】 01 飞天

【航天甲子年50讲】 02 轨道力学

【航天甲子年50讲】 03 轨道摄动

【航天甲子年50讲】 04 奔月:从地球到月球

【航天甲子年50讲】 05 空间任务几何

【航天甲子年50讲】 06 空间环境

【航天甲子年50讲】 07 卫星设计流程

【航天甲子年50讲】 08 载人航天

【航天甲子年50讲】 09 空间机器人

【航天甲子年50讲】 10 空间望远镜

编辑于 2017-12-20