微小卫星发展

微小卫星发展

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微小卫星技术的发展航天器体积和质量的大型化、功能复杂化, 已导致航天器的研制、开发、生产、发射、运行和维护费用迅速膨胀, 而功能复杂化又使其技术上的可靠性和管理上的安全性不可避免地下降了, 从而增加了失效概率。上述原因一方面使已经发展航天技术的国家面临资金紧张、项目风险性增大的严峻局面, 从而处于一种进退两难的尴尬境地; 另一方面又使一些计划发展航天高科技的国家或集团不得不重新审视自身的经济与技术实力。。。

随着微电子技术的发展，特别是以微机电系统（MEMS）和微型光机电系统（MOEMS）为代表的微米纳米技术的发展，使得微型卫星、纳型卫星甚至皮型卫星的实现成为可能。而现代社会信息化革命所带来的对利用空间技术获取和传输信息的新需求则成为推动现代小卫星发展的强大动力。总之, 现代小卫星的兴起是空间技术发展的必然趋势。

微小卫星的发展背景

50 年代～80 年代, 由于运载火箭的发射能力不断提高, 用户对卫星容量需求的增加, 加上冷战时期各国空间预算普遍增加,所以卫星总的发展趋势是大型化、复杂化。从80 年代末开始, 卫星技术的发展呈两种趋势: 一是继续发展大型复杂化卫星,卫星的重量和成本都大幅度增加; 二是发展可快速研制、生产和发射的低成本小卫星。

小卫星迅速发展的原因可概括为如下几点:

(1) 高新技术的进步是现代小卫星发展的重要推动力和必然结果。

(2) 冷战结束和军备竞赛的减弱, 使空间项目更加注重实效, 这促进了小卫星的发展。

(3) 经济和社会发展对卫星应用需求的迅速扩大, 也促进了以小卫星为基础的星座系统开发。

(4) 高技术条件下的现代战争对发展小卫星提出了迫切的需求。

(5) 科学实验和新技术验证都需要通过发展小卫星来实现。

(6) 提高发射频度、降低风险的需要。

微小卫星概念

在小卫星发展的基础上, 由于微小型化技术的快速发展, 更进一步促进了小卫星向微小型化发展。美国航宇局将小卫星定义500kg 以下。英国萨瑞大学还进一步将100kg～500kg的卫星称为微小卫星( MINISAT ) , 10kg～100kg的卫星称为微型卫( MICROSA T) ,10kg以下的卫星称为纳米卫星( NANOSAT) 。纳米卫星还称固态卫星、硅微卫星, 其自身通常无法独立完成空间任务, 需要依赖分布式的星座或网络才能实现其功能。

用重量( 或者尺寸、经费) 来定义和分类现代小卫星具有清晰和直观的优点, 但却无法阐述现代小卫星的特点, 尤其是它与传统小卫星的区别。因此, 现又提出用功能密度( 卫星分系统单位重量的功能) 进行分类的方法, 但这种方法又难于直观给出小卫星的概念。因此, 严格来讲, 现代小卫星又是卫星技术发展进步的一种表述。

微小卫星设计中的先进技术

微小卫星发展的本质是为了更进一步地提高现代小卫星的功能密度, 它必须依靠微电子、微机械、轻质材料等高新技术的支持; 而要实现“快、好、省”的发展特点,则需要采用全新的设计思路和技术途径, 特别是微型技术的采用。纳米卫星采用微型技术, 反过来又牵引了微型技术的快速发展。未来微小卫星将要涉及的技术包括:

(1) 先进微型化化学推进系统;

(2) 全新发射概念;

(3) 微型探测系统;

(4) 高集成度电子器件包;

(5) 高自主性星地操作规程;

(6) 简化定轨程序;

(7) 远距离下行数据的星载射频通信能力( 包括光通信能力) ;

(8) 轻质、高效太阳电池阵;

(9) 轻质、高输出功率蓄电池;

(10) 模块化电源系统( 包括微型核电源系统) ;

(11) 微型热传导及热控系统等。

推进技术

未来微小卫星推进系统中急需解决的重点技术有:

(1) 具有高效费比的微型固体燃料发动机;

(2) 微型液体燃料推进器( 采用肼或高级单元推进剂) ;

(3) 超低功率微型冷气推进器;

(4) 低成本燃料贮箱和燃料馈送系统部件;

(5) 液体低功率气体发生器;

(6) 用于姿态控制的微型固体燃料发动机。

发射技术

未来微小卫星的发射概念是, 由运载火箭先将载有数十颗微小卫星的部署母星( deployer ship) 发射入轨, 再由部署母星将微小卫星弹射出去。弹射方式可根据卫星完成其飞行任务所要求的不同姿态稳定方式而加以灵活选择。

制导、导航与控制( GN&C)

微小卫星对GN&C敏感器的要求是,重量低于～ ,功率低于,工作电压低于, 分辨率优于。具体的技术开发工作包括微型反作用飞轮、微型三轴磁力计、电磁体、双轴太阳敏感器和双轴地球敏感器等。

指令与数据处理( C&DH)

这部分涉及的主要技术有:

(1) 轻质、低功耗电子器件封装技术;

(2) 抗辐射、低功耗处理平台技术;

(3) 高性能、低功耗存储技术;

(4) 抗辐射、可刷新的现场可编程门阵列技术。

电源系统

未来微小卫星电源系统的微型化趋势是将太阳能电池、蓄电池和功率变换器集成为1 个混合模块。这种模块可以将卫星的尺寸与重量减小1 个量级。

射频技术

微小卫星射频技术的未来发展方向主要有两个: 1 种是完全自主, 无需接收装置;另1 种是采用“芯片接收机”技术, 并将其集成到星载设备中。

机械、结构、材料

(1) 微电子机械系统( MEMS)其研究目标是把目前部件的质量和体积减少到1/ 50。

(2) 多功能结构( MFS)微电子机械系统的用途之一是构建多功结构。而多功能结构技术是将许多单个部件制造成微型化部件, 再把它们组装到“灵巧的壳体”内,部件之间的连接线都用电路板的迹线替

代。

(3) 新型材料未来微小卫星将采用以复合材料为基础的结构( 如石墨环氧树脂等) 。与铝制结构相比, 复合材料可使卫星重量降低1/ 3,还可提高结构强度和刚性。

星上自主性与智能化控制

采用智能计算机进行星上全面管理, 能实现高度自主性。利用结构自适应神经控制器可随任意变化的情况自主改变算法, 通过结构工况的监视和神经控制器的再配置, 实现卫星结构的高度自主控制。应尽量利用软件来实现硬件的功能, 因为卫星软件可在飞行过程中不断升级, 提高卫星的自主能力。

模块化与多功能系统设计