目前，世界上的人造地球衛(wèi)星正朝著越來越大和越來越小的兩個方向發(fā)展，即一方面研制綜合型高功率的大型衛(wèi)星，另一方面研制重量輕微型化的小型衛(wèi)星。人們往往對大衛(wèi)星比較關注，殊不知小衛(wèi)星也有其不可替代的獨特優(yōu)勢。

小衛(wèi)量的突出優(yōu)勢

從人造地球衛(wèi)星的發(fā)展史來說，研制小衛(wèi)星并不是新生事物。從1957年開始升空的世界上第一批人造衛(wèi)星均屬于小衛(wèi)星。后來隨著衛(wèi)星應用需求的擴大、運載火箭發(fā)射能力的提高以及冷戰(zhàn)時期軍用預算經(jīng)費的增加，使大型衛(wèi)星在20世紀80年代中期之前成為衛(wèi)星事業(yè)發(fā)展的主流。與此同時，大型衛(wèi)星技術復雜、研制周期較長、研發(fā)與制造費用高、風險性大等弱點也逐漸顯露出來。這種情況，隨著冷戰(zhàn)結束、軍事預算減削和高新技術的進步，尤其是新材料、微電子、微機電、高效能源和計算機、仿真等技術的飛速發(fā)展，導致在世界首顆衛(wèi)星上天30年之后，航天領域在研制大型衛(wèi)星的同時，又開始了重視衛(wèi)星的小型化工作，出現(xiàn)了大、小衛(wèi)星并舉的局面。

但是，目前的小衛(wèi)星研制工作并不是早期小衛(wèi)星的簡單回歸，而是一個質的飛躍。新一代小衛(wèi)星亦稱現(xiàn)代小衛(wèi)星，是按照更好、更省、更快的原則發(fā)展起來的，是在新的科學技術基礎和新的生產(chǎn)力水平上涌現(xiàn)的，其技術密集程度和功能密度都大大提高，正在促使衛(wèi)星技術發(fā)生深刻的變革。日新月異的高度集成化和輕量化等技術，也為小型衛(wèi)星的興旺發(fā)達提供了條件，促進了星載遙感器、探測器、轉發(fā)器、照相機等科學儀器和設備部件的小型化，使其個兒小本領大，已廣泛用于通信、遙感、天文、試驗和其他許多方面。

現(xiàn)代小衛(wèi)星不僅擁有體積小、重量輕、技術含量高、性能好、可靠性強、研制周期短、制造費用低、發(fā)射靈活和不易被摧毀等一系列優(yōu)點，而且能較快地采用新技術成果、容易改型、研制規(guī)模小、生產(chǎn)效率高、適應性強、便于管理、風險性低，因而具有廣闊的發(fā)展和應用前景，越來越走紅。它既可單星使用，也能組成星座使用，并推動地面站向小型化、標準化、機動化、靈活化方向發(fā)展。如美國空軍1990年5月發(fā)射的兩顆各重68千克的多址通信衛(wèi)星，在上世紀90年代的海灣戰(zhàn)爭中發(fā)揮了重要作用。再如由66顆小衛(wèi)星組成的銥星通信系統(tǒng)和由48顆小衛(wèi)星組成的全球星通信系統(tǒng)，都在近地軌道形成環(huán)球網(wǎng)絡，不僅能替代均布在赤道上空靜止軌道上的三顆大型通信衛(wèi)星的功能，而且可覆蓋地球兩極地區(qū)，實現(xiàn)真正的全球通信，非常方便地在任何時刻為任何地區(qū)的用戶提供電話、文傳、加密資料傳送及傳呼等服務。

1999年，美國運載火箭多次發(fā)射失敗，價值連城的大型衛(wèi)星也同歸于盡，造成幾十億美元的損失。當時就有航天專家指出，若用數(shù)顆小衛(wèi)星來代替一顆大衛(wèi)星則可以分散風險，并能互為備份，即使在發(fā)射或在軌運行期間有個別犧牲也無傷大雅，對整個衛(wèi)星系統(tǒng)影響不大。星座中萬一有衛(wèi)星壞了，只要進行補網(wǎng)發(fā)射即可填充。而大衛(wèi)星損壞了，不僅經(jīng)濟上損失巨大，而且還會影響所覆蓋地區(qū)的社會秩序。例如，1998年5月19日，美國“銀河”4號通信衛(wèi)星突然發(fā)生嚴重故障，結果使全美90％的尋呼機無法工作，一些銀行、電視廣播和服務系統(tǒng)也不能正常運作。由此可見，用小衛(wèi)星群“以十保一”比大衛(wèi)星“以一當十”可靠得多。

小衛(wèi)星技術還帶動了空間探測器的微型化，并收到了良好效果。以往的深空探測器均耗資巨大，如“伽利略”號木星探測器和“卡西尼”號土星探測器等，其造價都達到十幾億甚至幾十億美元，結果導致空間探測活動舉步維艱。為此，美國從20世紀90年代開始研制小型深空探測器，結果獲得了出人意料的成果。如1997年在火星軟著陸的“火星探路者”著陸器僅重360千克，它還攜帶了一輛重10千克的火星漫游車，雖然其費用只有20世紀70年代“海盜”號火星著陸器的五分之一，但卻傳回了大量有用的數(shù)據(jù)資料，可謂物美價廉。1999年7月31日撞擊月球的美國“月球勘探者”號探測器也僅重295千克，于撞毀前的在軌飛行期間曾探測到月球上有大量水冰，當時在全世界引起轟動。

現(xiàn)代小衛(wèi)墨研發(fā)特點

迄今世界上已有20多個國家和地區(qū)開展衛(wèi)星的開發(fā)和研制工作，正在太空運行的小衛(wèi)星近500顆。關于小衛(wèi)星的分類，目前國際上尚無統(tǒng)一標準，通常都是按重量大小區(qū)分的。按照以成功研制發(fā)射過多顆小衛(wèi)星而聞名于世的英國薩瑞大學的分類辦法，小衛(wèi)星可分為4種類型：重為1000千克～500千克者稱作小衛(wèi)星，造價約為5000萬～2000萬美元；重為500千克～100千克者稱作超小衛(wèi)星，造價約為2000萬～400萬美元；重為100千克～10千克者稱作微型衛(wèi)星，造價約為400萬～100萬美元；重為10千克以下者稱作納米型衛(wèi)星，造價不到100萬美元。還有的航天專家提出研制重量更小的皮米型衛(wèi)星和芯片型衛(wèi)星的方案，其造價也更為便宜。

就一般衛(wèi)星而言，分系統(tǒng)重量占整星重量比例大小的順序為電源、結構和姿態(tài)控制推進系統(tǒng)，依次分別為37％、26％、21％左右。而從投資情況看，與上述順序完全相反，分系統(tǒng)占整星的比例次序卻是姿控約為15％、結構約為13％、電源約為10％。顯而易見，重量大和投資多的分系統(tǒng)是小衛(wèi)星研制過程中必須攻克的重點問題。從降低重量和提高功能密度來說，衛(wèi)星的姿控、結構、電源三個部分的可挖潛力很大。事實上，各國研制和發(fā)射的現(xiàn)代小衛(wèi)星，都在這些方面下了功夫并取得了一定程度的進展，獲得了越來越明顯的成效。

現(xiàn)代化小衛(wèi)星的發(fā)展已經(jīng)歷了兩個階段。第一階段是從20世紀80年代中期至90年代初期，稱為探索研究階段，主要取得了采用微電子學、高速計算機等方面的經(jīng)驗，擴大了小型衛(wèi)星的應用范圍。第二階段是從20世紀90年代初期到90年代末期，成為發(fā)展應用并初步形成規(guī)模階段，主要是采用了高新技術成果，成為名副其實的性能高、成本低、研制周期短的現(xiàn)代化小型衛(wèi)星。21世紀初，現(xiàn)代小衛(wèi)星進入第三階段，主要是大量采用最新科技成果、全新設計概念和先進的管理方式，實現(xiàn)現(xiàn)代小衛(wèi)星的快速發(fā)展，科學高效的管理機制，包括矩陣式管理模式。英國薩瑞大學小衛(wèi)星公司就是集設計、制造、管理和技術轉讓于一身的高效研制機構。

發(fā)展現(xiàn)代小衛(wèi)星代表了一種新思想、新趨勢。它突破了傳統(tǒng)的一星多用、綜合利用的設計思路，不追求全面、綜合、完美，而是主張簡化設計，采用成熟技術和模塊化、標準化的硬件，以便實現(xiàn)通用化和組合化，只要不伴隨單點失效，則應盡量減少備份或無備份。這就決定了必須下大力氣探索和選擇新途徑，再沿用大型衛(wèi)星研制的老套子是不行的。外國在小衛(wèi)星的開發(fā)中很重視率先解決計算機輔助設計和管理等軟硬件的集成問題，積極建立各層次設計數(shù)據(jù)。經(jīng)驗證明，落后的設計、制造工藝和工作環(huán)境無法實現(xiàn)小衛(wèi)星的發(fā)展，采用全新的技術途徑也必須有現(xiàn)代設計手段的支持。由于用小型衛(wèi)星組成的星座數(shù)量多，因此必須批量生產(chǎn)。美國銥星和全球星的生產(chǎn)采用了全新的方式，20多天就制造一顆衛(wèi)星，令人耳目一新。

迅速發(fā)展的現(xiàn)代小衛(wèi)星，其特殊的用途之一就是能夠比較經(jīng)濟地進行空間技術試驗。美國已用小衛(wèi)星進行了多次這樣的試驗，其中有一種名叫“空間試驗平臺”的系列衛(wèi)星水平較高。該系列的每顆衛(wèi)星重500～180千克，工作壽命1～3年，運行在近地軌道，適應性較強。它可根據(jù)任務需要，在較短時間內(nèi)完成總裝、測試和發(fā)射。美國還于1997年8月和12月發(fā)射了“劉易斯”小衛(wèi)星和“強力二號”小衛(wèi)星。前者是小衛(wèi)星技術倡議中的一顆，用于探討更快、更好、更省的發(fā)展方針，后者用于驗證多項新的空間技術。另外，現(xiàn)代小衛(wèi)星所具有的特點，還決定了它在軍事方面可以大顯身手。它可根據(jù)戰(zhàn)場需要及時進行應急發(fā)射，即使戰(zhàn)后報廢也無所謂，因為從一場高技術戰(zhàn)爭的費用來看，這筆小的支出還是很劃算的。正緣于此，一些國家竟相研制形形色色的軍用小型衛(wèi)星。

中國小衛(wèi)星概述

為了探測近地空間的帶電粒子環(huán)境，研究其對航天器的影響，我國于1994年2月8日成功發(fā)射了“實踐四號”衛(wèi)星。該星是高性能的小型科學衛(wèi)星，使我國首次獲得了海拔200～36000千米之間的空間環(huán)境參數(shù)和高能粒子效應資料。1999年5月10日升空的“實踐五號”是我國第一顆采用公用平臺思想設計的小型科學試驗衛(wèi)星，其性能達到國際水平。它在空間單粒子效應及其對策研究方面取得了可喜成果；出色地完成了空間流體科學試驗；首次在我國衛(wèi)星上成功地應用了國際上先進的數(shù)據(jù)傳輸標準等。這些試驗結果和數(shù)據(jù)資料對我國新型航天器和電子信息系統(tǒng)的設計具有重要意義。

2000年6月28日，由中國航天科工集團公司、清華大學、英國薩瑞大學合作研制的“航天清華一號”微型衛(wèi)星，用俄羅斯的宇宙－3M運載火箭從普列謝茨克航天發(fā)射場發(fā)射升空，進入高約650千米的太陽同步圓形軌道運行。該衛(wèi)星不僅首開國外火箭發(fā)射國產(chǎn)衛(wèi)星的記錄，而且也是我國參與研制的首顆微型衛(wèi)星。同時，它還開創(chuàng)了我國大學研制衛(wèi)星的先河，為我國航天技術創(chuàng)新開辟了又一途徑。重50千克的“航天清華一號”衛(wèi)星。在地面探測系統(tǒng)配合下，進行了多種科學試驗。其突出特點是，具有在軌運行期間再上載軟件的功能，可隨時通過上載新的軟件改變衛(wèi)星的任務，并及時修正宇宙高能粒子對芯片輻射而導致的程序突變問題。星載斜置照相機，結合星體低速自旋，能實現(xiàn)較大的觀測視場。它還研究了自然災害的監(jiān)控與預報技術。與“航天清華一號”同時升空的還有分屬英國和俄羅斯的兩顆小衛(wèi)星。

2003年10月21日，中國科學院研制的首顆微型衛(wèi)星“創(chuàng)新一號”發(fā)射升空，進入751千米高的圓形太陽同步軌道運行。衛(wèi)星重88.8千克，裝有處理轉發(fā)器和收發(fā)天線等有效載荷，可在交通運輸、環(huán)境保護、防汛抗旱等數(shù)據(jù)信息傳遞中發(fā)揮重要作用。同年12月14日，中國科學院在上海微系統(tǒng)與信息技術研究所舉行了上海微小衛(wèi)星工程中心/中國科學院微小衛(wèi)星聯(lián)合重點實驗室掛牌儀式，標志著我國微小衛(wèi)星步入新的發(fā)展時期。

2004年4月18日，“試驗衛(wèi)星一號”和“納星一號”一塊發(fā)射升空。前者重204千克，采用了一體化設計思想，應用了基于磁控和反作用飛輪控制的姿態(tài)捕獲、高精度高穩(wěn)定度姿態(tài)控制、自主運行管理等多項前沿技術，是我國第一顆傳輸型立體測繪微型衛(wèi)星，主要用于國土資源攝影測量、地理環(huán)境監(jiān)測和測圖科學試驗。至同年7月18日，衛(wèi)星在距地面597千米高的太陽同步軌道運行了1345圈，完成了規(guī)定的全部試驗項目，演示驗證任務取得成功。后者重量不到30千克，是當時在軌運行最小的輪控三軸穩(wěn)定衛(wèi)星，主要用于微型衛(wèi)星軌道保持與變軌試驗、CMOS相機對地成像試驗、衛(wèi)星程序上載與軟件試驗，以及數(shù)據(jù)傳輸、遙感攝影、姿態(tài)控制等試驗。該星完成了規(guī)定的任務，標志著我國已成為進入這一領域的少數(shù)國家之一。

2004年11月18日，“試驗衛(wèi)星二號”發(fā)射升空。該星重為300多千克，是一顆科學試驗微型衛(wèi)星。它采用性能先進的CAST2000平臺，整星特點達20多項，其中有多項技術創(chuàng)新，從而開創(chuàng)了小衛(wèi)星應用的新局面，為后繼同類衛(wèi)星的研制奠定了堅實的基礎。

我國相繼成功發(fā)射的多顆不同重量、不同用途的小衛(wèi)星，在科學試驗、資源普查、災害預報、地貌測繪、環(huán)境勘探和農(nóng)業(yè)監(jiān)測等領域發(fā)揮了獨特作用。研發(fā)小衛(wèi)星是我國利用空間技術服務經(jīng)濟建設、造福人類的一條重要途徑。目前我國正在研制環(huán)境和災害監(jiān)測小衛(wèi)星，并要在太空建立星座系統(tǒng)。

為適應日益增長的小型衛(wèi)星發(fā)射任務需求，“十一五”期間我國將開展用于發(fā)射小衛(wèi)星的新一代小型運載火箭研制。發(fā)射周期5～7天，700千米太陽同步軌道的運載能力為500千克，具備雙星或多星發(fā)射更小重量級衛(wèi)星的能力。新一代小型運載火箭采用無毒無污染的液氧／煤油發(fā)動機，適應綠色環(huán)保要求。

責任編輯 龐 云