徐映霞 （北京空間科技信息研究所）

微納衛(wèi)星的幾種在軌發(fā)射方法

徐映霞 （北京空間科技信息研究所）

過去的幾年中，低成本、微型化器件的發(fā)展促進(jìn)了微納衛(wèi)星的蓬勃發(fā)展，研發(fā)和飛行的微納衛(wèi)星數(shù)量顯著增加，其用途包括對(duì)地觀測(cè)、技術(shù)驗(yàn)證、組成星座和行星際任務(wù)。然而，微納衛(wèi)星進(jìn)入空間的能力相對(duì)滯后，雖然各國(guó)開展了一些研究計(jì)劃，為微納衛(wèi)星提供發(fā)射機(jī)會(huì)，但仍有不少微納衛(wèi)星無法快速進(jìn)入空間，得到驗(yàn)證。阻礙進(jìn)入空間能力快速發(fā)展的原因是，微納衛(wèi)星發(fā)射不是一個(gè)有利可圖的市場(chǎng)，降低成本是主要問題。

使微納衛(wèi)星快速進(jìn)入空間的方法研究大約開始于1999年，最初都是在運(yùn)載火箭上面做文章，通過改進(jìn)運(yùn)載火箭接口以及使用二級(jí)載荷適配器（ESPA），利用運(yùn)載火箭的多余推力，將微納衛(wèi)星送入軌道。但是這些常規(guī)發(fā)射方式仍然不能滿足微納衛(wèi)星迅速增長(zhǎng)的進(jìn)入空間需求，而且發(fā)射價(jià)格過高，難以承受，因而帶動(dòng)了非常規(guī)方法進(jìn)入空間的研究。

常規(guī)發(fā)射方式指通過運(yùn)載火箭及上面級(jí)將微納衛(wèi)星送入軌道的方式，現(xiàn)在較為成熟；非常規(guī)發(fā)射方式也稱在軌發(fā)射方式，即指多個(gè)航天器一同搭乘運(yùn)載火箭進(jìn)入軌道，并與運(yùn)載火箭及上面級(jí)分離后，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)由其中一個(gè)在空間運(yùn)行的航天器再次釋放，使另一個(gè)或另多個(gè)航天器進(jìn)入軌道的方式。這種方式的優(yōu)勢(shì)是費(fèi)用更低、機(jī)會(huì)更多，并可以選擇發(fā)射時(shí)間，在需要的時(shí)候?qū)⑽⒓{衛(wèi)星送入軌道。在軌發(fā)射方式是近幾年為應(yīng)對(duì)迅猛增長(zhǎng)的微納衛(wèi)星發(fā)射市場(chǎng)而發(fā)展起來的，它的出現(xiàn)為微納衛(wèi)星進(jìn)入空間提供了大量機(jī)會(huì)。雖然之前偶爾有空間探測(cè)器或者衛(wèi)星通過這種方式實(shí)現(xiàn)其任務(wù)需要，但基本都是為更好地完成同一任務(wù)所采取的措施，不包含在本文所介紹的在軌發(fā)射方式中。

1 空間站釋放方式

空間站釋放方式經(jīng)過2012－2013年的試驗(yàn)階段，從2014年開始進(jìn)入大規(guī)模應(yīng)用階段，每年維持在數(shù)十顆的釋放數(shù)量，未來前景也十分看好。目前，空間站釋放的商業(yè)服務(wù)由美國(guó)納萊克斯公司（NanoRacks）和空間飛行公司（Spaceflight）以及日本的載人航天系統(tǒng)公司（JAMSS）提供，其需求遠(yuǎn)超出納萊克斯公司的預(yù)期，并已接近目前“國(guó)際空間站”可提供的極限。因此，納萊克斯公司正在研發(fā)新的“卡貝爾”（Kaber）釋放裝置，將每次釋放的衛(wèi)星數(shù)量由8顆增加到12顆。此外，納萊克斯公司也在考慮建立新的氣閘艙（Bishop），解決目前遇到的瓶頸問題。

從技術(shù)角度考慮，空間站釋放主要涉及兩個(gè)方面，一是要有釋放策略，二是需要硬件裝置。

釋放策略主要從安全性考慮，包括釋放后的微納衛(wèi)星對(duì)空間站可能產(chǎn)生的碰撞威脅、小衛(wèi)星間的相互碰撞、對(duì)空間站可能造成的通信干擾以及可能產(chǎn)生的空間碎片等問題，因此需要確定釋放方向和速度增量，確保微納衛(wèi)星的軌道衰減較快，軌道高度一直低于空間站；同時(shí)控制微納衛(wèi)星的加電時(shí)間，保證足夠的安全距離，使空間站通信不受影響。

空間站釋放的硬件裝置一般包括微納衛(wèi)星安裝容器、分離機(jī)構(gòu)和控制電路等幾部分，目前，空間站使用的釋放硬件有3種：日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）研制的小衛(wèi)星軌道釋放裝置（J-SSOD，2012年開始使用）、納萊克斯公司研制的立方體衛(wèi)星釋放器（NRCSD，2014年開始使用）和美國(guó)航空航天局（NASA）約翰遜航天中心（JSC）研制的Cyclops釋放系統(tǒng)（2014年底首次使用）。前兩種用于釋放立方體納衛(wèi)星，后一種用于釋放50～100千克級(jí)的微衛(wèi)星。納萊克斯公司正在考慮建造的氣閘艙可容納50顆立方體衛(wèi)星以及更大的微衛(wèi)星，并有希望成為航天員出艙活動(dòng)的氣閘室。

空間站釋放微納衛(wèi)星

空間站釋放方式的應(yīng)用情況

2 利用貨運(yùn)飛船的方式

這種在軌發(fā)射方式是在空間站發(fā)射方式基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它利用貨運(yùn)飛船推進(jìn)系統(tǒng)以及攜帶的應(yīng)急燃料，在完成任務(wù)的返回途中機(jī)動(dòng)到預(yù)期軌道（可進(jìn)入500km圓軌道），將微納衛(wèi)星釋放到空間，解決空間站釋放壽命短、軌道單一、尺寸受限等問題。

Altius空間機(jī)械公司和納萊克斯公司負(fù)責(zé)這種方式所需的技術(shù)開發(fā)，包括艙口吊籃釋放系統(tǒng)、釋放控制器及釋放監(jiān)視數(shù)字系統(tǒng)。這個(gè)釋放系統(tǒng)最多可容納40顆3U立方體衛(wèi)星，或者安裝1顆60cm×60cm×100cm級(jí)的微衛(wèi)星，釋放控制器實(shí)現(xiàn)微納衛(wèi)星釋放、監(jiān)視的冗余控制，以及與貨運(yùn)飛船的通信聯(lián)絡(luò)，接收電源和指令信號(hào)等。

艙口吊籃系統(tǒng)的使用簡(jiǎn)單方便，地面發(fā)射時(shí)裝入貨運(yùn)飛船，完成空間站貨運(yùn)任務(wù)后，由航天員將艙口吊籃安裝固緊在貨運(yùn)飛船艙門上，按正常程序脫離空間站，完成貨運(yùn)飛船的附加任務(wù)，然后機(jī)動(dòng)到釋放軌道，開始微納衛(wèi)星的釋放操作，同時(shí)下傳釋放數(shù)據(jù)，地面人員還可以根據(jù)下傳數(shù)據(jù)臨時(shí)調(diào)整釋放程序，待所有攜帶的微納衛(wèi)星釋放后，貨運(yùn)飛船按正常規(guī)程執(zhí)行離軌點(diǎn)火操作。

有效載荷的組合安裝

艙口吊籃系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)無星上推進(jìn)系統(tǒng)的微納衛(wèi)星多軌道面、空間均布的多星星座釋放，通過在貨運(yùn)飛船外部安裝載荷，如相機(jī)、傳感器、照明器和通信中繼系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)追蹤觀測(cè)服務(wù)，顯著提高觀測(cè)精度；另外還可以通過外部安裝機(jī)械操控裝置，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)捕獲。

這種方式的潛在問題和挑戰(zhàn)是不僅需要設(shè)計(jì)微納衛(wèi)星釋放軌道，還要考慮軌道衰減情況，需要建立與貨運(yùn)飛船推進(jìn)能力相匹配的切實(shí)可行的安全策略，最大限度降低與貨運(yùn)飛船及空間站碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。

“精靈”子衛(wèi)星（左圖）及其釋放（右圖）

3 微型母子衛(wèi)星釋放方式

目前，微型母子衛(wèi)星釋放主要在低軌應(yīng)用，母衛(wèi)星一般由兩部分組成：衛(wèi)星功能部分和子衛(wèi)星釋放器。各子衛(wèi)星釋放后，可以與母衛(wèi)星共同完成同一任務(wù)，也可以獨(dú)立完成各自的任務(wù)。

美國(guó)康奈爾大學(xué)的“凱克衛(wèi)星”（KickSat）就是母子衛(wèi)星共同完成同一任務(wù)的例子。這個(gè)項(xiàng)目于2011年啟動(dòng)，以大幅降低成本、使空間活動(dòng)人人可及為目標(biāo)，歷時(shí)2年多，完成了芯片子衛(wèi)星“精靈”（Spirit，核心技術(shù)包括芯片衛(wèi)星、芯片衛(wèi)星釋放裝置）和軟件定義無線電（SDR）地面站的研制。雖然每顆芯片衛(wèi)星質(zhì)量?jī)H為5g，但功能齊全，成本有望低于1000美元，衛(wèi)星平臺(tái)均使用芯片級(jí)部件，裝有科學(xué)研究傳感器或相機(jī)。質(zhì)量為5.5kg的“凱克衛(wèi)星”單次可釋放多達(dá)200顆芯片子衛(wèi)星，特別適合于大氣和空間環(huán)境的多點(diǎn)云測(cè)量等科學(xué)任務(wù)。

2 0 1 4年4月，“凱克衛(wèi)星”搭載“獵鷹”（Falcon）火箭發(fā)射進(jìn)入高度325km、傾角51.5°的軌道。與火箭分離后，建立三軸姿態(tài)，工作正常。為避免干擾“龍”飛船和“國(guó)際空間站”的運(yùn)行，NASA要求子衛(wèi)星的釋放時(shí)間設(shè)定在16天后。然而，單粒子翻轉(zhuǎn)使母衛(wèi)星控制器重置，計(jì)時(shí)重新開始，釋放時(shí)間推遲，并且母衛(wèi)星電壓不足以支持接收地面指令，使母衛(wèi)星再入前未能完成“精靈”子衛(wèi)星的釋放。雖然這次嘗試未獲成功，但獲得了一定的經(jīng)驗(yàn)，康奈爾大學(xué)將繼續(xù)進(jìn)行探索試驗(yàn)。

意大利羅馬大學(xué)的“大學(xué)衛(wèi)星”（Unisat）計(jì)劃是另一個(gè)微型母子衛(wèi)星釋放的例子。2011年，羅馬大學(xué)開始與美國(guó)摩爾海德州立大學(xué)開展微型母子衛(wèi)星釋放的研究，并在2顆“大學(xué)衛(wèi)星”（Unisat－5、6）上付諸實(shí)施，分別于2013年和2014年發(fā)射。大學(xué)衛(wèi)星－5首次成功實(shí)施了微型母子衛(wèi)星的釋放，攜帶的3個(gè)皮納衛(wèi)星軌道釋放裝置，分別釋放了4顆飛衛(wèi)星和3顆立方體衛(wèi)星，其中6顆衛(wèi)星工作正常，這些衛(wèi)星獨(dú)立完成各自的任務(wù)。大學(xué)衛(wèi)星－6攜帶了2個(gè)納衛(wèi)星軌道釋放裝置，由星上自主系統(tǒng)全自動(dòng)完成4顆立方體衛(wèi)星的釋放，地面指令僅作為自主系統(tǒng)的備份。

我國(guó)在2015年9月的長(zhǎng)征－6火箭“一箭二十星”發(fā)射中，也首次實(shí)現(xiàn)了微型母子衛(wèi)星釋放，驗(yàn)證了立方體衛(wèi)星分離機(jī)構(gòu)、控制部件及算法、飛衛(wèi)星集群飛行、組網(wǎng)及超低功率星地通信、星間通信等技術(shù)。

4 利用商業(yè)地球靜止軌道平臺(tái)的寄宿衛(wèi)星發(fā)射方式

2000年代后期，商業(yè)衛(wèi)星數(shù)量已超過政府和軍用衛(wèi)星，近年來商業(yè)衛(wèi)星與政府衛(wèi)星的比例更是達(dá)到3～5：1。此外，進(jìn)入市場(chǎng)的衛(wèi)星服務(wù)商越來越多，形成的競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)有利于降低成本，商業(yè)發(fā)射機(jī)會(huì)也較為頻繁。在這種形勢(shì)下提出了利用商業(yè)地球靜止軌道（GEO）平臺(tái)的寄宿衛(wèi)星發(fā)射概念，指利用通信衛(wèi)星平臺(tái)的多余能力，將微小衛(wèi)星或納衛(wèi)星集成到一個(gè)商業(yè)GEO通信衛(wèi)星的主平臺(tái)結(jié)構(gòu)中，在地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）的上升段或到達(dá)地球靜止帶之后擇機(jī)再行釋放的方法。

這種不需要購(gòu)買運(yùn)載火箭服務(wù)的概念很具吸引力，2008年，軌道科學(xué)公司（OSC，現(xiàn)已更名為軌道-ATK公司）和其GEO商業(yè)通信衛(wèi)星合作伙伴提出利用商業(yè)通信衛(wèi)星任務(wù)的高頻度和準(zhǔn)時(shí)發(fā)射的特點(diǎn)、為微納衛(wèi)星提供低成本進(jìn)入空間的新穎概念，并利用星－2（Star－2）衛(wèi)星平臺(tái)進(jìn)行此概念及設(shè)想的實(shí)施研究，通過對(duì)星－2衛(wèi)星平臺(tái)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)更改和研究，確保實(shí)現(xiàn)從主衛(wèi)星的天底甲板處釋放微小衛(wèi)星，或者通過在“星”系列平臺(tái)安裝立方體衛(wèi)星釋放裝置，完成納衛(wèi)星的釋放。

利用商業(yè)GEO平臺(tái)的寄宿衛(wèi)星發(fā)射概念和釋放順序

將GEO衛(wèi)星作為發(fā)射平臺(tái)的概念，對(duì)寄宿微納衛(wèi)星十分有利，但帶來了常規(guī)發(fā)射方式不曾遇到的特有技術(shù)挑戰(zhàn)和程序挑戰(zhàn)。首當(dāng)其沖的技術(shù)難點(diǎn)就在于對(duì)主衛(wèi)星的影響，如對(duì)主衛(wèi)星抗力學(xué)環(huán)境性能的影響、對(duì)主衛(wèi)星從GTO軌道提升到GEO軌道的影響、對(duì)主衛(wèi)星燃料壽命的影響等。程序挑戰(zhàn)包括不同組織、不同目標(biāo)和不同限制之間的協(xié)調(diào)和安排，以及對(duì)主衛(wèi)星保險(xiǎn)費(fèi)率的影響。

軌道科學(xué)公司對(duì)這種方式給主衛(wèi)星任務(wù)帶來的影響，以及分離后微納衛(wèi)星和主衛(wèi)星的姿態(tài)控制進(jìn)行了分析。微納衛(wèi)星分離過程對(duì)主衛(wèi)星任務(wù)造成的影響分析，本質(zhì)上與太陽電池翼和天線反射器的展開類似，都涉及質(zhì)量特性的改變以及撓性運(yùn)動(dòng)模式的改變，但微衛(wèi)星分離還涉及質(zhì)量的變化，與主衛(wèi)星GTO點(diǎn)火段類似。軌道科學(xué)公司以使用阿里安－5 （Ariane－5）運(yùn)載火箭將干質(zhì)量1325kg、壽命為15年的GEO衛(wèi)星（攜帶質(zhì)量100kg的寄宿微納衛(wèi)星）發(fā)射進(jìn)入近地點(diǎn)250km、遠(yuǎn)地點(diǎn)35786km、傾角6°的軌道為例，進(jìn)行了下列內(nèi)容的動(dòng)力學(xué)分析。

1）安全平緩分離，不產(chǎn)生潛在碎片或相互碰撞的分析；

2）微衛(wèi)星在分離后安全進(jìn)入預(yù)定GEO軌道的分析；

3）微衛(wèi)星GEO釋放過程對(duì)GEO衛(wèi)星的GTO軌道影響是否可忽略，以及未釋放時(shí)對(duì)GEO衛(wèi)星的軌道任務(wù)壽命影響是否可忽略。

研究結(jié)果顯示，寄宿微衛(wèi)星與主衛(wèi)星的分離速度增量ΔV可滿足最小分離要求。ΔV為0.04m/s時(shí)足以在1圈之后使兩者維持最小10km的分離距離。隨著圈數(shù)的增加，分離距離也會(huì)增加。這種發(fā)射方式還可讓寄宿衛(wèi)星進(jìn)入在某一選定軌位，這種情況下分離時(shí)的ΔV取決于分離后的漂移速率、分離時(shí)與選定軌位的間距和到達(dá)選定軌位的天數(shù)。

寄宿衛(wèi)星分離對(duì)主衛(wèi)星的軌道任務(wù)壽命影響與運(yùn)載火箭插入軌道、寄宿衛(wèi)星質(zhì)量、GEO/寄宿轉(zhuǎn)接器質(zhì)量、所裝推進(jìn)劑和發(fā)射質(zhì)量的限制有關(guān)。對(duì)于干質(zhì)量為1325kg的星－2平臺(tái)航天器、寄宿衛(wèi)星質(zhì)量為100kg的情況，微納衛(wèi)星將使主衛(wèi)星的軌道任務(wù)壽命降低3.1年，因此要想維持主衛(wèi)星的軌道壽命，須增大發(fā)射質(zhì)量，增加攜帶的推進(jìn)劑，當(dāng)發(fā)射質(zhì)量超過3050kg時(shí)，可使壽命滿足15年的要求。

分離后主衛(wèi)星和寄宿微衛(wèi)星的姿態(tài)控制穩(wěn)定性可基本達(dá)到要求，分離時(shí)刻可選擇在GEO衛(wèi)星到達(dá)GEO軌道、開始轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行的任何時(shí)刻。

5 四種發(fā)射方式的比較

微納衛(wèi)星在軌發(fā)射方式出現(xiàn)較晚，但應(yīng)用勢(shì)頭迅猛。4種發(fā)射方式中，空間站釋放方式應(yīng)用最多，微型母子衛(wèi)星方式也越來越受到青睞，其他2種尚未開始使用。雖然目前與常規(guī)發(fā)射方式一樣，均使微納衛(wèi)星進(jìn)入低地球軌道（LEO），但GEO軌道的發(fā)射已列入計(jì)劃，等待首次嘗試。幾種方式需要應(yīng)對(duì)的技術(shù)問題有相似之處：一是要保證不能對(duì)主體航天器的性能有較大影響，或者對(duì)其運(yùn)行構(gòu)成威脅；二是要使被釋放的航天器進(jìn)入預(yù)期的軌道，按預(yù)定的方案完成任務(wù)；三是要考慮被釋放航天器的離軌問題，不能造成空間碎片，威脅其他航天器的安全。

尤其值得一提的是，GEO平臺(tái)寄宿發(fā)射也是美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）“鳳凰”（Phoenix）計(jì)劃實(shí)現(xiàn)“細(xì)胞星”（Satlets）概念采用的方式。勞拉空間系統(tǒng)公司（SS/L）正在研究利用這種方式和年均15次的商業(yè)GEO軌道發(fā)射機(jī)會(huì)，實(shí)現(xiàn)航天器的在軌維護(hù)，如運(yùn)送美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局的“鳳凰”服務(wù)/補(bǔ)給飛行器及所需工具、零件、燃料或細(xì)胞星，由服務(wù)/補(bǔ)給飛行器進(jìn)行航天器的在軌維修、升級(jí)、更新、擴(kuò)展和完善，并計(jì)劃于2017年3月進(jìn)行首次演示試驗(yàn)。服務(wù)/補(bǔ)給飛行器也可用于微小衛(wèi)星進(jìn)入LEO以遠(yuǎn)的軌道。

4種發(fā)射方式的比較

6 啟示與建議

隨著微納衛(wèi)星完成的任務(wù)越來越復(fù)雜，國(guó)外在微納衛(wèi)星進(jìn)入空間方面投入研究精力，期望利用微納衛(wèi)星的低成本優(yōu)勢(shì)。相比常規(guī)發(fā)射方式，在軌發(fā)射方式的優(yōu)勢(shì)十分明顯，并且得到越來越多的應(yīng)用。上述幾種在軌發(fā)射方式的興起給我們帶來的啟示與建議主要包括以下三點(diǎn)。

進(jìn)一步開發(fā)微小衛(wèi)星低成本進(jìn)入空間的能力，是更好地利用微小衛(wèi)星開展空間探索和試驗(yàn)的前提

應(yīng)與研制微納衛(wèi)星同步開展微納衛(wèi)星進(jìn)入空間能力的研究，目前我國(guó)進(jìn)行了一次微型母子衛(wèi)星的嘗試，獲得了一定的研制經(jīng)驗(yàn)。而我國(guó)的空間站正在建設(shè)中，每年的GEO軌道發(fā)射次數(shù)也很可觀，因此開展多種在軌發(fā)射方式的研究，為未來更好利用這些設(shè)施和能力做好技術(shù)儲(chǔ)備，使低成本的微納衛(wèi)星完成技術(shù)試驗(yàn)任務(wù)，甚至其他更復(fù)雜的任務(wù)。

充分利用現(xiàn)有方法和手段，依托已有的硬件進(jìn)行開發(fā)和改進(jìn)，是實(shí)現(xiàn)低成本的有效途徑

目前興起的幾種在軌發(fā)射方式都基于現(xiàn)有手段進(jìn)行修改。空間站釋放和利用貨運(yùn)飛船的方式是利用運(yùn)行的空間站以及貨運(yùn)補(bǔ)給任務(wù)完成微納衛(wèi)星的釋放，GEO平臺(tái)寄宿衛(wèi)星發(fā)射是利用商業(yè)GEO軌道發(fā)射以及現(xiàn)有GEO衛(wèi)星平臺(tái)改進(jìn)的方式。在這些成熟的航天任務(wù)基礎(chǔ)上，賦予新的功能和考慮，實(shí)現(xiàn)微納衛(wèi)星低成本進(jìn)入空間的目標(biāo)，在成本和進(jìn)度方面具有優(yōu)勢(shì)。

制定統(tǒng)一的相關(guān)接口標(biāo)準(zhǔn)，便于靈活安排微納衛(wèi)星的發(fā)射活動(dòng)

在國(guó)外，接口標(biāo)準(zhǔn)的制定幾乎與研制工作同時(shí)開展。隨著在軌發(fā)射方式應(yīng)用的逐步成熟，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)草案隨之多次修改，也逐漸完善。這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范微納衛(wèi)星研制和設(shè)計(jì)，便于更好地根據(jù)需求靈活安排發(fā)射順序，協(xié)調(diào)安排不同組織和機(jī)構(gòu)的微納衛(wèi)星發(fā)射，在運(yùn)載火箭出現(xiàn)故障，或者微納衛(wèi)星臨時(shí)更改發(fā)射計(jì)劃時(shí)，能夠方便地更換火箭、調(diào)換日期等。我國(guó)剛剛開始使用在軌發(fā)射方式，同步開展接口標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，對(duì)未來合理利用這種發(fā)射方式十分有利。

On-orbit Launch Methods for Micro-Nano Satellites