宋心榮

近年來，小衛(wèi)星無疑是航天技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。在小衛(wèi)星中，質(zhì)量在1～10千克之間、具有實(shí)際使用功能的衛(wèi)星被稱為納衛(wèi)星。納衛(wèi)星因其低廉的制造和發(fā)射成本而更受歡迎。

納衛(wèi)星的源起

傳統(tǒng)的人造地球衛(wèi)星往往一顆衛(wèi)星搭載多個(gè)有效載荷，以實(shí)現(xiàn)不同功能，這就使得整星的質(zhì)量很大，其平臺(tái)的設(shè)計(jì)和建造都需要相當(dāng)?shù)募夹g(shù)水平。對于一般的機(jī)構(gòu)和個(gè)人來說，建造這樣的衛(wèi)星幾乎是不可能的事情。然而，隨著20世紀(jì)90年代以來電子技術(shù)的發(fā)展，單一有效載荷的質(zhì)量大大下降，這就使得建造僅搭載1～2個(gè)有效載荷的納衛(wèi)星成為可能。不過，對于缺乏實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的一般機(jī)構(gòu)和個(gè)人來說，如何設(shè)計(jì)僅有尺余大小的納衛(wèi)星就成了頭號(hào)難題。

早在1995年，斯坦福大學(xué)的空間與系統(tǒng)開發(fā)實(shí)驗(yàn)室就開始讓研究生嘗試獨(dú)立設(shè)計(jì)、建造OPAL（Orbiting Picosatellite Automatic Launoher，意為“繞軌皮衛(wèi)星自動(dòng)發(fā)射器”，皮衛(wèi)星比納衛(wèi)星更小，泛指重量小于1千克的衛(wèi)星）系列微衛(wèi)星。每顆OPAL微衛(wèi)星攜帶6顆皮衛(wèi)星，在軌道上將皮衛(wèi)星發(fā)射出去。OPAL母星和各皮衛(wèi)星都攜帶有磁力計(jì)，可以測量附近空間的地磁場。然而，學(xué)生們設(shè)計(jì)出的皮衛(wèi)星規(guī)格各異，發(fā)射起來很困難，往往需要配備復(fù)雜的發(fā)射裝置才能發(fā)射入軌。于是，負(fù)責(zé)學(xué)生衛(wèi)星項(xiàng)目的斯坦福大學(xué)的鮑勃·特威格斯教授找到了美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）尋求資金用于研制新的皮衛(wèi)星發(fā)射機(jī)構(gòu)。在DARPA的支援下，特威格斯教授做出了一個(gè)簡單的發(fā)射機(jī)構(gòu)，將皮衛(wèi)星固定在一個(gè)推板上，彈簧推動(dòng)推板，將皮衛(wèi)星送入軌道，他將之命名為“皮衛(wèi)星軌道釋放器”（POD）裝置。POD裝置簡單實(shí)用，質(zhì)量也很輕?！?jīng)發(fā)明，立刻受到各界的好評。

POD裝置不僅僅能用于發(fā)射皮衛(wèi)星，同樣也能用于發(fā)射納衛(wèi)星。POD裝置的推出促進(jìn)了納衛(wèi)星星箭接口標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)程。因?yàn)閷?shí)現(xiàn)星箭接口標(biāo)準(zhǔn)化對星箭雙方均有重要意義，有利于衛(wèi)星開展模塊化設(shè)計(jì)，并降低星箭接口協(xié)調(diào)成本，提升發(fā)射效率。在實(shí)現(xiàn)星箭接口標(biāo)準(zhǔn)化的訴求下，特威格斯教授和加州理工的皮格薩拉教授于1999年提出了立方體納衛(wèi)星規(guī)范（CubeSat）。

立方體納衛(wèi)星規(guī)范的提出具有劃時(shí)代的意義。其標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)射接口和設(shè)計(jì)規(guī)范、低廉的制造和發(fā)射成本使得納衛(wèi)星的設(shè)計(jì)變得容易起來，納衛(wèi)星的發(fā)展從此步入快車道。

立方體納衛(wèi)星規(guī)范規(guī)定，尺寸為10厘米×10厘米×11.35厘米，質(zhì)量1.33千克為1 U納衛(wèi)星。納衛(wèi)星的長寬均為10厘米×10厘米，高度和質(zhì)量都是前述基本單元的倍數(shù)，2U納衛(wèi)星的質(zhì)量則為2.66千克，尺寸為10厘米×10厘米×22.7厘米。同理還有0.5U，1.5U，或3U納衛(wèi)星。滿足這一規(guī)格的立方體納衛(wèi)星就都可以用POD裝置發(fā)射。目前發(fā)射的絕大多數(shù)納衛(wèi)星都是基于立方體納衛(wèi)星規(guī)范設(shè)計(jì)的。

立方體納衛(wèi)星規(guī)范不僅僅限定了納衛(wèi)星的尺寸和質(zhì)量，還對納衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)、推進(jìn)系統(tǒng)等方面提出了諸多要求。立方體納衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，均為1個(gè)以鋁合金為框架的立方體或長方體。結(jié)構(gòu)中的所有材料的熱膨脹系數(shù)必須相同，以免卡在發(fā)射機(jī)構(gòu)中。納衛(wèi)星與發(fā)射推板接觸的那面還應(yīng)包有橡膠，以避免沖擊力損壞衛(wèi)星。在這樣小的空間內(nèi)，緊湊地安放著防輻射的星載計(jì)算機(jī)，姿態(tài)控制裝置，有效載荷，推進(jìn)裝置和通信裝置。大多數(shù)立方體納衛(wèi)星僅攜帶1～2個(gè)科學(xué)儀器作為其任務(wù)有效載荷。

在實(shí)際任務(wù)中，立方體納衛(wèi)星多是“搭便車”發(fā)射，作為發(fā)射配重打上去的。因此，其絕對不能威脅到發(fā)射任務(wù)的安全，危害主要衛(wèi)星。所以，立方體納衛(wèi)星規(guī)衛(wèi)星規(guī)范特別強(qiáng)調(diào)，納衛(wèi)星氣體儲(chǔ)罐內(nèi)的壓強(qiáng)不能超過1.2個(gè)大氣壓，只能儲(chǔ)存化學(xué)能為100瓦時(shí)以下的燃料，而且不能使用有毒燃料。這樣納衛(wèi)星就不易爆炸，即便爆炸，其威力也很難傷到主要衛(wèi)星。但這一限制給納衛(wèi)星的推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)造成很大麻煩。因?yàn)槟壳暗目臻g推進(jìn)系統(tǒng)都是采用高壓貯藏高能量密度的燃料，以產(chǎn)生較大推力并保證較長的工作時(shí)間。而納衛(wèi)星卻被人為地限制了推力。由于有諸多限制，目前納衛(wèi)星一般選用惰性氣體推進(jìn)和化學(xué)推進(jìn)。使用惰性氣體最為安全，不過由于氣壓受限，推力只能用于維持軌道，想變軌則需使用化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)。目前納衛(wèi)星主要使用氫氧燃料的雙組分小型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

由于空間有限，無法攜帶太多燃料或壓縮空氣，立方體納衛(wèi)星一般采用反作用飛輪和磁力矩器聯(lián)合的姿態(tài)控制系統(tǒng)。因?yàn)檫@一系統(tǒng)無需消耗壓縮空氣或燃料，最節(jié)約質(zhì)量和空間。

立方體納衛(wèi)星太陽能電池面積有限，電力受限，通信裝置的功率也因此被限制在2瓦左右。立方體納衛(wèi)星一般使用VHF，UHF，L，S，C和X這幾個(gè)頻段的無線電通信系統(tǒng)。為了加大通信距離，其一般使用高增益天線。

基于上述規(guī)范，一大批成功的立方體納衛(wèi)星被設(shè)計(jì)和建造出來。其中比較著名的有斯坦福大學(xué)研制的QuakeSat系列地震探測衛(wèi)星，加拿大的多倫多大學(xué)研制的CANX系列太空試驗(yàn)平臺(tái)和東京工業(yè)大學(xué)研制的Cute系列星地通信試驗(yàn)衛(wèi)星。2003年6月30日，世界上首批6顆立方體納衛(wèi)星搭乘SS-19洲際彈道導(dǎo)彈改造的“呼嘯”號(hào)火箭從俄羅斯的普列謝茨克發(fā)射場升空，成功進(jìn)入太陽同步軌道。由于立方體納衛(wèi)星成本低廉（1U立方體納衛(wèi)星建造僅需約5萬美元），可以實(shí)現(xiàn)空間科學(xué)研究和教學(xué)以及新技術(shù)演示驗(yàn)證等多種任務(wù)，其規(guī)范一經(jīng)驗(yàn)證成功后得到廣泛應(yīng)用。立方體納衛(wèi)星規(guī)范推出后，納衛(wèi)星的發(fā)射數(shù)量從2003年的7顆已經(jīng)上升到了2014年的141顆。而在2017年世界各國制定的衛(wèi)星發(fā)射計(jì)劃中，納衛(wèi)星的數(shù)量更是高達(dá)驚人的569顆，足見其發(fā)展之快。

納衛(wèi)星專用的運(yùn)載火箭

雖然納衛(wèi)星本身很便宜，但是其發(fā)射費(fèi)用卻仍舊不菲。使用目前主流的運(yùn)載火箭發(fā)射1顆1U納衛(wèi)星進(jìn)入近地軌道需要花費(fèi)10萬美元，而1顆3U納衛(wèi)星的發(fā)射費(fèi)用更是高達(dá)40萬美元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了納衛(wèi)星本身的造價(jià)，這嚴(yán)重制約了納衛(wèi)星市場的發(fā)展。于是，各家商業(yè)航天公司都把目光放在了降低納衛(wèi)星發(fā)射成本上。各種納衛(wèi)星運(yùn)載火箭應(yīng)運(yùn)而生。其中美國萬有引力航天公司的納衛(wèi)星運(yùn)載火箭（NLV）算是比較先進(jìn)的一個(gè)。

萬有引力航天公司（GSC）總部位于加利福尼亞州的長灘，是一家小型研發(fā)型公司，主要經(jīng)營先進(jìn)空間技術(shù)和運(yùn)載火箭的開發(fā)。NLV火箭是萬有引力航天公司和加州大學(xué)長灘分校聯(lián)合研制的兩級(jí)入軌納衛(wèi)星運(yùn)載火箭。其目標(biāo)是能將10千克的有效載荷發(fā)射到高度為250千米的近地軌道。整個(gè)項(xiàng)目對單位質(zhì)量的發(fā)射成本進(jìn)行了嚴(yán)格控制，力求低于傳統(tǒng)運(yùn)載火箭。

NLV火箭降低成本的一個(gè)很重要的方法就是通過提升火箭發(fā)動(dòng)機(jī)效率，減少燃料消耗，減輕火箭質(zhì)量。為此，萬有引力公司特別選用先進(jìn)的氣動(dòng)塞式噴管火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為一子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)。這種發(fā)動(dòng)機(jī)比傳統(tǒng)的鐘形噴管發(fā)動(dòng)機(jī)緊湊得多，在各種飛行高度上都能以最佳膨脹比工作，大大提高了工作效率。NLV火箭各級(jí)均裝有降落傘，發(fā)射后可回收并二次使用，以最大限度地節(jié)約成本。

2004年，萬有引力公司完成了火箭的初步設(shè)計(jì)，制造出了一個(gè)縮比模型。6月，氣動(dòng)塞式噴管火箭發(fā)動(dòng)機(jī)完成了靜態(tài)試車。2004年12月4日，NLV縮比模型在位于莫哈維沙漠的發(fā)射場進(jìn)行了首次試射。試射主要是為了試驗(yàn)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。值得一提的是，該火箭從運(yùn)抵發(fā)射場，到發(fā)射，再到回收，都是在24小時(shí)內(nèi)完成的。

2005年5月24日，NLV全尺寸模型在加利福尼亞州的莫哈維沙漠試射成功?；鸺畲箫w行高度約為915米，隨后通過降落傘回收。2005年10月，新的NLV全尺寸模型進(jìn)行了試射。這一次火箭實(shí)現(xiàn)了回收后24小時(shí)內(nèi)的再次發(fā)射，驗(yàn)證了NLV快速可重復(fù)使用的能力。

2007年，萬有引力公司研制出了推力為2噸的氣動(dòng)塞式噴管火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。從2007～2011年，NLV全尺寸模型一共進(jìn)行了13次試射。通過不斷地試射，萬有引力公司改進(jìn)了火箭設(shè)計(jì)?；鸺淖畲箫w行高度從1 000米左右上升到130千米。同時(shí)，萬有引力公司推出了升級(jí)版的NLV火箭設(shè)計(jì)，其能將20千克的有效載荷送入高度為450千米的軌道。2011年10月19日，NASA和萬有引力公司簽訂了發(fā)射合同，資助其完成NLV火箭的實(shí)用化，并將NASA的納衛(wèi)星發(fā)射計(jì)劃的一部分衛(wèi)星包給萬有引力公司發(fā)射。

NLV火箭只是世界上同期開展的數(shù)個(gè)納衛(wèi)星運(yùn)載火箭項(xiàng)目之一。前一陣子日本試射的超小型火箭也屬于納衛(wèi)星運(yùn)載火箭。先進(jìn)的可重復(fù)使用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是這些納衛(wèi)星運(yùn)載火箭的共性，也是目前航天技術(shù)發(fā)展的前沿。未來，這些小而精的納衛(wèi)星運(yùn)載火箭有望將1U納衛(wèi)星的發(fā)射成本降至30 000美元甚至數(shù)千美元。這無疑將為納衛(wèi)星的蓬勃發(fā)展創(chuàng)造條件。

展望

當(dāng)前納衛(wèi)星的發(fā)展方向主要有二，一為組建納衛(wèi)星星座，一為駛向深空。單一納衛(wèi)星能干的事情總歸有限，而數(shù)十個(gè)納衛(wèi)星組成的星座功能就很強(qiáng)大了。搭載光學(xué)照相機(jī)的納衛(wèi)星星座能夠?qū)Φ厍蛏先魏蔚攸c(diǎn)進(jìn)行連續(xù)的偵察。納衛(wèi)星星座在科學(xué)研究領(lǐng)域也有著巨大的潛力。國際合作的QB50項(xiàng)目就是通過納衛(wèi)星星座來觀測大氣層熱層的物理特性。同時(shí)，納衛(wèi)星現(xiàn)階段主要工作在近地軌道。如能使用納衛(wèi)星執(zhí)行深空任務(wù)，可大大節(jié)約發(fā)射成本，增加深空任務(wù)的次數(shù)，對人類探索月球及其以外的宇宙空間具有重大意義。NASA最近就推出了“立方體納衛(wèi)星任務(wù)挑戰(zhàn)”，鼓勵(lì)商業(yè)航天公司研發(fā)深空納衛(wèi)星。“立方體納衛(wèi)星任務(wù)挑戰(zhàn)”懸賞500萬美元給第一個(gè)設(shè)計(jì)、制造出能夠在月球及其以外深空保持和地面的通信，并獨(dú)自開展探測活動(dòng)的納衛(wèi)星的團(tuán)隊(duì)。除了鼓勵(lì)商業(yè)航天公司創(chuàng)新，NASA自己也研制了2顆用于執(zhí)行深空任務(wù)的6U納衛(wèi)星。它們將被發(fā)射到火星軌道上，用于中繼火星著陸器和地球的通信。如果這一任務(wù)成功，那將是納衛(wèi)星首次成功執(zhí)行深空任務(wù)。

在這兩大發(fā)展方向中，駛向深空的難度要比組建納衛(wèi)星星座大得多。而通信問題和推進(jìn)問題則是妨礙納衛(wèi)星駛向深空的核心因素。納衛(wèi)星的無線電通信系統(tǒng)受尺寸和功率限制，有效通信距離不長。納衛(wèi)星要想駛向深空，在通信技術(shù)上還需更多創(chuàng)新。而納衛(wèi)星的推進(jìn)系統(tǒng)則受限于嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)，不能使用高能燃料。因此，其不能自己變軌，甚至不能長期維持在現(xiàn)有軌道上。結(jié)果導(dǎo)致納衛(wèi)星壽命普遍較短，無法長期執(zhí)行任務(wù)，這對于執(zhí)行深空任務(wù)是很不利的。

不過，這兩大技術(shù)難題也并非不可解。首先，納衛(wèi)星運(yùn)載火箭的研發(fā)使得納衛(wèi)星可以獨(dú)立作為載荷發(fā)射，不再需要考慮主衛(wèi)星的安全。這會(huì)減少對納衛(wèi)星燃料使用的限制，納衛(wèi)星可以直接使用傳統(tǒng)燃料解決推進(jìn)問題。此外，薩里衛(wèi)星技術(shù)公司也已經(jīng)研制出了使用相對比較安全的以酒精和水作為燃料的超小尺寸火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，有望解決納衛(wèi)星的推進(jìn)問題。最后，NASA研制的用于執(zhí)行火星任務(wù)的MarCO立方體納衛(wèi)星采用了新型的大平板X波段天線，為解決納衛(wèi)星的深空通信提供了新的思路。所以，納衛(wèi)星突破技術(shù)瓶頸，大展身手的那一天即將來臨。

責(zé)任編輯：王鑫邦