现代小卫星技术及应用
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2014-9-4
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现代小卫星技术及应用
美国空军支持十所大学联合开发纳星计划
2014-9-4
第 22 页
现代小卫星技术及应用
创新技术：多功能结构
多功能结构(Multi-Functionional System) 将 电子线路的外科、电连接器、数据传输、封装、 支架、热控等部件加以集成，与无源电子线路一 起敷设在结构的复合材料中间，采用新方法将有 源电子线路与机械表面直接接触，敏感器和传感 器安装在表面上。
一、空间飞行器概述
2014-9-4
第1页
飞行器现代设计方法
空间飞行器概述
1.1 航天技术概论 1.2 航天系统组成
1.3 空间飞行器的分类和应用
1.4 航天探索过程的灾难史 1.5 卫星系统组成
1.6 现代小卫星技术及应用
2014-9-4
第2页
航天技术概论
航天是指进入、探索、开发和利用太空以及 地球以外天体的各种活动的总称。
现代新技术的迅猛发展为卫星微小型化提
供了技术基础； 未来广阔的发展和应用前景为其提供了动力
2014-9-4
第 15 页
现代小卫星技术及应用
对小卫星分类普遍采用的方法是利用卫星的 发射质量进行分类
分类 大卫星 质量（包括燃料） >1000kg
中型卫星
小卫星（MiniSat） 微卫星(MicroSat) 纳卫星(NanoSat) 皮卫星(PicoSat)
2014-9-4
第 12 页
现代小卫星技术及应用
设计技术的发展：多功能结构、微电子机械系 统(MEMS)、高密度电子集成(SoC 技术)、先进微型 推进技术、纳米技术及先进软科学技术； 设计手段的进步：突破传统的分系统独立设计、 采用先进的数字化设计与仿真技术实现微小型卫星 设计的并行化、数字化和集成化； 空间应用的创新：卫星星座、卫星飞行编队等 分布式卫星概念，扩展了微小卫星空间应用的领域。
攻击卫星
攻击卫星
2014-9-4
第 43 页
现代小卫星技术及应用
2014-9-4
第 44 页
现代小卫星技术及应用
ST-5纳星编队
20wenku.baidu.com4-9-4
第 45 页
现代小卫星技术及应用
CARTWHEEL计划
2014-9-4
第 46 页
现代小卫星技术及应用
2014-9-4
第 47 页
现代小卫星技术及应用
2014-9-4
第4页
空间飞行器的分类和应用
空间飞 行器是在大 气层以外的 宇宙空间, 基本上按照 天体力学的 规律运行的 各类人造物 体的统称。
科学卫星 人造地球卫星 应用卫星 技术试验卫星 无人航天器 月球探测器 宇宙探测器 行星探测器 恒星探测器 航天器 卫星载人飞船 载人飞船 登月载人飞船 载人航天器 空间站 航天飞机
* 设计理念的创新、设计手段和设计环境的完善使航 天器的设计向一体化的方向发展。
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第 39 页
现代小卫星技术及应用
2014-9-4
第 40 页
现代小卫星技术及应用
XXS-10
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第 41 页
现代小卫星技术及应用
护卫卫星
护卫卫星
护卫卫星
2014-9-4
第 42 页
现代小卫星技术及应用
500-1000kg
100-500kg 10-100kg 1-10kg 0.1-1kg 小卫星
飞卫星(FemtoSat)
<100g
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现代小卫星技术及应用
小卫星的出现使得传统上与航天无缘的国家 和研究机构成为小卫星设计与研制队伍中的一支 主力军，进一步促进了小卫星的发展。 在众多向小卫星技术领域挺进的高等学府里， 英国萨瑞大学、美国犹他州立大学、德国柏林技 术大学和不来梅大学可称得上是排头兵，迄今为 止已有30多所高校研制并发射小卫星。
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第 17 页
现代小卫星技术及应用
萨瑞大学从1979年开始研制和生产小卫星， 1981年成功发射UoSAT-1，1998年成功发射了第20颗 卫星PICOSAT-1。
SNAP-1 卫星 微推力器是当前 世界上最小的推 力 系 统 ， 重 450 克，燃料是丁烷。
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第 18 页
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现代小卫星技术及应用
2000年1月美国国防部研究计划局（DARPA）用一 箭10星发射，包括两颗50～60公斤的微型卫星，三颗 10公斤级纳型卫星和五颗皮卫星（每颗小于1kg）
亚利桑那州立大 ARMEMIS 学研制，重6kg 圣克拉拉大学
斯福大学设计和 研 制 ， 重 5kg ， 携带5颗皮卫星
2014-9-4
第 28 页
现代小卫星技术及应用
有效载荷
创新技术：电子集成
分散的信息处理单元 适应各类空间任务
微推进
传统低密度电子系统
微型敏感器
星间测量
微推进阵列
微空间光学探测器
微型惯性测量组合
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现代小卫星技术及应用
创新技术：电子集成
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现代小卫星技术及应用
现代小卫星技术及应用
柏林技术大学研制的 Tubsat-N 和 Tubsat N1 两 颗纳卫星于 1998 年成功发射，主要用于进行存贮转 发通信技术试验，并对微型技术进行空间演示。
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第 19 页
现代小卫星技术及应用
Munin 是瑞典空间物理研究所研制的科学试 验纳卫星，用于探测地球南北极的极光和高能粒 子，卫星重6kg 。
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卫星系统组成
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第 10 页
现代小卫星技术及应用
2014-9-4
第 11 页
现代小卫星技术及应用
小卫星：应用新技术和新的设计思想研制的人 造卫星，具有质量轻、体积小、成本低、周期短和 性能好等特点，又称现代小卫星。 设计思路的创新：现代小卫星代表一种新的发 展趋势和设计思想，突破了传统的“一星多用、综 合利用”的设计思想，主张简化设计，采用成熟技 术和模块化、标准化的硬件。尽量减少冗余或无冗 余。
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现代小卫星技术及应用
功能密度高、
成本低、研制 周期短 快速响应、灵 活布置、自主 生存的能力；
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现代小卫星技术及应用
现代小卫星的出现是航天发展的必然趋势：
航天任务出现新的需求为微小卫星的发展提
供了大社会环境； 传统大卫星具有不可克服的难题为微小卫 星的发展提供了机遇；
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第 38 页
现代小卫星技术及应用
3、一体化设计方法
创新技术：先进设计
由于难以找到合适的公用平台，超大型卫星采用了针对 有 效载荷的一体化设计，它以有效载荷为核心，平台的所 有分系统都是根据有效载荷的要求而优化设计的。成功的 实例是美国的“哈勃”望远镜。 微小卫星以一体化为其主要设计特点。其主要原因包括： * 微小卫星的任务和有效载荷更加灵活、多样，难以 发展公用平台技术。
Furoshiki Satellite
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第 48 页
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第5页
卫星系统组成
卫星：进入并适应外层空间环境，能在这种特 殊环境下完全自动化运行和工作，以服务于地上 人类的特定需求的一类工程技术的人造物体。 卫星是天上的东西 是在外层空间自主运行和工作 从天上服务于地面
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卫星系统组成
卫星工程系统
卫星应用系统
测控系统
卫星系统
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现代小卫星技术及应用
创新技术：微推进技术
数字推进技术
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现代小卫星技术及应用
创新技术：微推进技术
气体推进器（Gas Thruster）
气体推进是靠推进剂储箱中工质自身的压强产 生推力。目前微型卫星和纳型卫星上最常用、技术 最成熟的推进方式，在Surry大学发射的多颗微型 卫星中都已成功的使用。
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第 35 页
现代小卫星技术及应用
创新技术：微推进技术
脉冲等离子推进器（Pulsed Plasma Thruster）
依靠电磁场加速等离子体产生推力，属于电磁 式电推进，在20世纪50年代，脉冲等离子推进技术 开始被发展和应用。1964年第一次在Soviet Zond2卫星上使用，首次进行飞行试验。
运载器系统
发射场系统
卫星是运载器系统的有效载荷； 卫星是测控系统的对象；
卫星应用系统是卫星服务的对象。
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卫星系统组成
有效载荷是直接执行特定任务的分系统；保障 系统是为有效载荷正常工作提供支持和保证的各分 系统的总称，也称卫星平台。
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卫星系统组成
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现代小卫星技术及应用
2、模块化设计方法
创新技术：先进设计
以适应多任务、降低成本、缩短周期、提高可靠性为目的
卫星公用平台就是目前应用最成功、最典型的实例，国外 也称模块化多任务航天器或卫星公用舱，原苏联最早使用 这种设计方法，如联盟号飞船。 现代小卫星也广泛使用这种设计方法，但公用模块已经延 伸到分系统和单一的功能模块，如计算机、测控等等，英 国萨瑞大学的小卫星甚至于在结构上也使用了模块化的方 法。成功的实例还有美国的 Iridium, Odyssey等。
综合了电、热和结构的功能，减少了分离部件。
多功能结构是卫星轻量化的重要途径，也是微 小型化技术的重要支撑。
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现代小卫星技术及应用
创新技术：多功能结构
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现代小卫星技术及应用
创新技术：多功能结构
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第 25 页
现代小卫星技术及应用
创新技术：多功能结构
2014-9-4
第 26 页
现代小卫星技术及应用
创新技术
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第 27 页
现代小卫星技术及应用
创新技术：MEMS技术
微电子机械系统(Micro Electronic Mechanical System) 是按集成电路的思路和技术制造机械装 置，实现电子与机械的综合集成化。
创新技术：电子集成
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第 31 页
现代小卫星技术及应用
MEMS-A & MEMS-B
创新技术：MEMS技术
Stensat皮卫星
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第 32 页
现代小卫星技术及应用
创新技术：微推进技术
微小卫星要进行轨道控制，特别用于编队飞 行或星座应用，需要微推力系统而且整套推力 系统微型重量和微功耗，推力冲量大约为 1μNs （微牛秒）～ 1mNs （毫牛秒），整套推力系统 所产生ΔV与重量比在50～100ms-1/kg。
AFRL研制的µ PPT样机原型
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现代小卫星技术及应用
创新技术：先进设计
1、基于分系统的航天器设计方法
航天发展初期的卫星都采用这样的设计方法，NASA80年 以前的卫星，基本上都是用这样的方法设计和研制的，包 括现在的有些大型卫星仍然沿用这种方法。 该方法通过对卫星任务的合理分解，如姿控系统、数管 系统、热控系统、电源系统、测控系统、数传系统，结构 系统等，由不同的单位分别设计、研制，最终进行装配。 这种方法的优点是能够很好地满足卫星的任务要求，研 制组织相对简单。
航天技术：为航天活动提供技术手段和保障 条件的综合性工程技术； 空间应用：利用航天技术及其开发的空间资 源在不同领域的各种应用技术的统称；
空间科学：空间科学是指利用航天技术对宇 宙空间的各种现象及规律的探索和研究。
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第3页
航天系统组成
人类要实现航天活动，就要建立庞大的以航 天器为核心的航天工程系统，简称航天系统。
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现代小卫星技术及应用
美国空军支持十所大学联合开发纳星计划
2014-9-4
第 22 页
现代小卫星技术及应用
创新技术：多功能结构
多功能结构(Multi-Functionional System) 将 电子线路的外科、电连接器、数据传输、封装、 支架、热控等部件加以集成，与无源电子线路一 起敷设在结构的复合材料中间，采用新方法将有 源电子线路与机械表面直接接触，敏感器和传感 器安装在表面上。
一、空间飞行器概述
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飞行器现代设计方法
空间飞行器概述
1.1 航天技术概论 1.2 航天系统组成
1.3 空间飞行器的分类和应用
1.4 航天探索过程的灾难史 1.5 卫星系统组成
1.6 现代小卫星技术及应用
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航天技术概论
航天是指进入、探索、开发和利用太空以及 地球以外天体的各种活动的总称。
现代新技术的迅猛发展为卫星微小型化提
供了技术基础； 未来广阔的发展和应用前景为其提供了动力
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现代小卫星技术及应用
对小卫星分类普遍采用的方法是利用卫星的 发射质量进行分类
分类 大卫星 质量（包括燃料） >1000kg
中型卫星
小卫星（MiniSat） 微卫星(MicroSat) 纳卫星(NanoSat) 皮卫星(PicoSat)
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现代小卫星技术及应用
设计技术的发展：多功能结构、微电子机械系 统(MEMS)、高密度电子集成(SoC 技术)、先进微型 推进技术、纳米技术及先进软科学技术； 设计手段的进步：突破传统的分系统独立设计、 采用先进的数字化设计与仿真技术实现微小型卫星 设计的并行化、数字化和集成化； 空间应用的创新：卫星星座、卫星飞行编队等 分布式卫星概念，扩展了微小卫星空间应用的领域。
攻击卫星
攻击卫星
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现代小卫星技术及应用
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ST-5纳星编队
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现代小卫星技术及应用
CARTWHEEL计划
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第 46 页
现代小卫星技术及应用
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现代小卫星技术及应用
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空间飞行器的分类和应用
空间飞 行器是在大 气层以外的 宇宙空间, 基本上按照 天体力学的 规律运行的 各类人造物 体的统称。
科学卫星 人造地球卫星 应用卫星 技术试验卫星 无人航天器 月球探测器 宇宙探测器 行星探测器 恒星探测器 航天器 卫星载人飞船 载人飞船 登月载人飞船 载人航天器 空间站 航天飞机
* 设计理念的创新、设计手段和设计环境的完善使航 天器的设计向一体化的方向发展。
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现代小卫星技术及应用
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现代小卫星技术及应用
XXS-10
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现代小卫星技术及应用
护卫卫星
护卫卫星
护卫卫星
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第 42 页
现代小卫星技术及应用
500-1000kg
100-500kg 10-100kg 1-10kg 0.1-1kg 小卫星
飞卫星(FemtoSat)
<100g
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现代小卫星技术及应用
小卫星的出现使得传统上与航天无缘的国家 和研究机构成为小卫星设计与研制队伍中的一支 主力军，进一步促进了小卫星的发展。 在众多向小卫星技术领域挺进的高等学府里， 英国萨瑞大学、美国犹他州立大学、德国柏林技 术大学和不来梅大学可称得上是排头兵，迄今为 止已有30多所高校研制并发射小卫星。
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现代小卫星技术及应用
萨瑞大学从1979年开始研制和生产小卫星， 1981年成功发射UoSAT-1，1998年成功发射了第20颗 卫星PICOSAT-1。
SNAP-1 卫星 微推力器是当前 世界上最小的推 力 系 统 ， 重 450 克，燃料是丁烷。
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现代小卫星技术及应用
2000年1月美国国防部研究计划局（DARPA）用一 箭10星发射，包括两颗50～60公斤的微型卫星，三颗 10公斤级纳型卫星和五颗皮卫星（每颗小于1kg）
亚利桑那州立大 ARMEMIS 学研制，重6kg 圣克拉拉大学
斯福大学设计和 研 制 ， 重 5kg ， 携带5颗皮卫星
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现代小卫星技术及应用
有效载荷
创新技术：电子集成
分散的信息处理单元 适应各类空间任务
微推进
传统低密度电子系统
微型敏感器
星间测量
微推进阵列
微空间光学探测器
微型惯性测量组合
2014-9-4
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现代小卫星技术及应用
创新技术：电子集成
2014-9-4
第 30 页
现代小卫星技术及应用
现代小卫星技术及应用
柏林技术大学研制的 Tubsat-N 和 Tubsat N1 两 颗纳卫星于 1998 年成功发射，主要用于进行存贮转 发通信技术试验，并对微型技术进行空间演示。
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第 19 页
现代小卫星技术及应用
Munin 是瑞典空间物理研究所研制的科学试 验纳卫星，用于探测地球南北极的极光和高能粒 子，卫星重6kg 。
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卫星系统组成
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现代小卫星技术及应用
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现代小卫星技术及应用
小卫星：应用新技术和新的设计思想研制的人 造卫星，具有质量轻、体积小、成本低、周期短和 性能好等特点，又称现代小卫星。 设计思路的创新：现代小卫星代表一种新的发 展趋势和设计思想，突破了传统的“一星多用、综 合利用”的设计思想，主张简化设计，采用成熟技 术和模块化、标准化的硬件。尽量减少冗余或无冗 余。
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现代小卫星技术及应用
功能密度高、
成本低、研制 周期短 快速响应、灵 活布置、自主 生存的能力；
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现代小卫星技术及应用
现代小卫星的出现是航天发展的必然趋势：
航天任务出现新的需求为微小卫星的发展提
供了大社会环境； 传统大卫星具有不可克服的难题为微小卫 星的发展提供了机遇；
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现代小卫星技术及应用
3、一体化设计方法
创新技术：先进设计
由于难以找到合适的公用平台，超大型卫星采用了针对 有 效载荷的一体化设计，它以有效载荷为核心，平台的所 有分系统都是根据有效载荷的要求而优化设计的。成功的 实例是美国的“哈勃”望远镜。 微小卫星以一体化为其主要设计特点。其主要原因包括： * 微小卫星的任务和有效载荷更加灵活、多样，难以 发展公用平台技术。
Furoshiki Satellite
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卫星系统组成
卫星：进入并适应外层空间环境，能在这种特 殊环境下完全自动化运行和工作，以服务于地上 人类的特定需求的一类工程技术的人造物体。 卫星是天上的东西 是在外层空间自主运行和工作 从天上服务于地面
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卫星系统组成
卫星工程系统
卫星应用系统
测控系统
卫星系统
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创新技术：微推进技术
数字推进技术
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现代小卫星技术及应用
创新技术：微推进技术
气体推进器（Gas Thruster）
气体推进是靠推进剂储箱中工质自身的压强产 生推力。目前微型卫星和纳型卫星上最常用、技术 最成熟的推进方式，在Surry大学发射的多颗微型 卫星中都已成功的使用。
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现代小卫星技术及应用
创新技术：微推进技术
脉冲等离子推进器（Pulsed Plasma Thruster）
依靠电磁场加速等离子体产生推力，属于电磁 式电推进，在20世纪50年代，脉冲等离子推进技术 开始被发展和应用。1964年第一次在Soviet Zond2卫星上使用，首次进行飞行试验。
运载器系统
发射场系统
卫星是运载器系统的有效载荷； 卫星是测控系统的对象；
卫星应用系统是卫星服务的对象。
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卫星系统组成
有效载荷是直接执行特定任务的分系统；保障 系统是为有效载荷正常工作提供支持和保证的各分 系统的总称，也称卫星平台。
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卫星系统组成
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现代小卫星技术及应用
2、模块化设计方法
创新技术：先进设计
以适应多任务、降低成本、缩短周期、提高可靠性为目的
卫星公用平台就是目前应用最成功、最典型的实例，国外 也称模块化多任务航天器或卫星公用舱，原苏联最早使用 这种设计方法，如联盟号飞船。 现代小卫星也广泛使用这种设计方法，但公用模块已经延 伸到分系统和单一的功能模块，如计算机、测控等等，英 国萨瑞大学的小卫星甚至于在结构上也使用了模块化的方 法。成功的实例还有美国的 Iridium, Odyssey等。
综合了电、热和结构的功能，减少了分离部件。
多功能结构是卫星轻量化的重要途径，也是微 小型化技术的重要支撑。
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创新技术：多功能结构
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创新技术：多功能结构
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现代小卫星技术及应用
创新技术
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现代小卫星技术及应用
创新技术：MEMS技术
微电子机械系统(Micro Electronic Mechanical System) 是按集成电路的思路和技术制造机械装 置，实现电子与机械的综合集成化。
创新技术：电子集成
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MEMS-A & MEMS-B
创新技术：MEMS技术
Stensat皮卫星
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现代小卫星技术及应用
创新技术：微推进技术
微小卫星要进行轨道控制，特别用于编队飞 行或星座应用，需要微推力系统而且整套推力 系统微型重量和微功耗，推力冲量大约为 1μNs （微牛秒）～ 1mNs （毫牛秒），整套推力系统 所产生ΔV与重量比在50～100ms-1/kg。
AFRL研制的µ PPT样机原型
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现代小卫星技术及应用
创新技术：先进设计
1、基于分系统的航天器设计方法
航天发展初期的卫星都采用这样的设计方法，NASA80年 以前的卫星，基本上都是用这样的方法设计和研制的，包 括现在的有些大型卫星仍然沿用这种方法。 该方法通过对卫星任务的合理分解，如姿控系统、数管 系统、热控系统、电源系统、测控系统、数传系统，结构 系统等，由不同的单位分别设计、研制，最终进行装配。 这种方法的优点是能够很好地满足卫星的任务要求，研 制组织相对简单。
航天技术：为航天活动提供技术手段和保障 条件的综合性工程技术； 空间应用：利用航天技术及其开发的空间资 源在不同领域的各种应用技术的统称；
空间科学：空间科学是指利用航天技术对宇 宙空间的各种现象及规律的探索和研究。
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航天系统组成
人类要实现航天活动，就要建立庞大的以航 天器为核心的航天工程系统，简称航天系统。