于小雯 石政宇 吳桐

摘? ?要：隨著技術(shù)的進(jìn)步和國家需求的增加，小衛(wèi)星己成為航天器發(fā)展的重要方向之一。通過立方星設(shè)計(jì)，使其具備掃描探測(cè)即將侵入到地球上的危險(xiǎn)小天體并且采取一定措施的能力。在具體設(shè)計(jì)過程中，解決了激光測(cè)距、對(duì)地?cái)?shù)據(jù)交換傳輸、能源轉(zhuǎn)化等關(guān)鍵問題，為消除太空威脅提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：危險(xiǎn)小天體? 預(yù)警防御? 控制? 小衛(wèi)星? 無線電波

中圖分類號(hào)：P185? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）05（b）-0255-02

20世紀(jì)90年代起，我國開始加大對(duì)現(xiàn)代小衛(wèi)星及其關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域研究的投入，從此我國現(xiàn)代小衛(wèi)星的發(fā)展便駛上了快車道。1999年5月10日，我國首顆現(xiàn)代小衛(wèi)星“實(shí)踐5號(hào)”成功發(fā)射。2007年5月25日，我國首顆皮星浙大“皮星一號(hào)”成功發(fā)射[1]。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2016年500kg以下的小衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量為121顆。近幾年，1000kg以下衛(wèi)星所占比例已穩(wěn)定保持在40%以上，由此可見，小衛(wèi)星已成為航天活動(dòng)的主要領(lǐng)域。2017年至今，太空探索技術(shù)公司（SpaceX）提出了雄心勃勃的全球衛(wèi)星通信網(wǎng)，還有太空互聯(lián)網(wǎng)公司（OneWeb）衛(wèi)星通信網(wǎng)、典型的低軌遙感衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、低軌移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)等，這些衛(wèi)星均為小衛(wèi)星的范疇，數(shù)量眾多。

與衛(wèi)星發(fā)射密切相關(guān)的內(nèi)容是星箭接口形式，不同的接口決定了不同的衛(wèi)星規(guī)模，也決定了衛(wèi)星的發(fā)射與分離方式等[2]。由于單個(gè)小衛(wèi)星在大氣掩星探測(cè)中無法滿足對(duì)地球的大范圍覆蓋以及多點(diǎn)科學(xué)探測(cè)，多個(gè)小衛(wèi)星可以組成一顆“大”衛(wèi)星，共同完成特定空間探測(cè)任務(wù)并對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的處理以獲取更好的結(jié)果。小衛(wèi)星星座組網(wǎng)因其較廣的覆蓋度以及有保障的穩(wěn)定通信而成為各國發(fā)展戰(zhàn)略必須搶占的太空制高點(diǎn)[3]。

未來小衛(wèi)星發(fā)展趨勢(shì)將是：在設(shè)計(jì)方面，將朝著標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化方向發(fā)展;在性能方面，隨著載荷和控制技術(shù)進(jìn)步，其分辨率和機(jī)動(dòng)能力將會(huì)大大提高;同時(shí)大量采用貨架部件以節(jié)省研制成本和縮短了研制周期;由于小衛(wèi)星研制周期短、成本低，未來小衛(wèi)星將是在軌星座組網(wǎng)的主力軍之一[4-5]。

在首屆未來太空學(xué)者大會(huì)發(fā)布方案征集后，我們組建青少年探究團(tuán)隊(duì)，針對(duì)征集通知中功能要求及指標(biāo)約束進(jìn)行了仔細(xì)分析，并進(jìn)行了多種方案比較和論證，最終選擇了危險(xiǎn)小天體預(yù)警防御小衛(wèi)星方案。該方案設(shè)想雖然超過目前工程領(lǐng)域能力，但作為青少年突破常規(guī)思維、發(fā)揮創(chuàng)新思維，不失為有益的嘗試。同時(shí)，該方案在團(tuán)隊(duì)形成共識(shí)后，識(shí)別出了關(guān)鍵技術(shù)并進(jìn)行了攻關(guān)，提交方案后得到專家積極反饋，并在現(xiàn)場(chǎng)答辯環(huán)節(jié)后獲得了最高獎(jiǎng)項(xiàng)——“未來太空學(xué)者獎(jiǎng)”。

1? 總體方案

2018未來太空學(xué)者大會(huì)項(xiàng)目手冊(cè)，“天問”立方體衛(wèi)星科學(xué)載荷方案征集案：團(tuán)隊(duì)需要提交一份科學(xué)載荷的設(shè)計(jì)方案，該方案要提出一種有價(jià)值的科學(xué)實(shí)驗(yàn)方案（如：設(shè)計(jì)一種帶有傳感器的智能系統(tǒng)，采集太空中或發(fā)射過程中的某些物理量數(shù)據(jù)并傳回地面），并在立方星內(nèi)完成。

根據(jù)上述要求，我們提出了危險(xiǎn)小天體預(yù)警防御小衛(wèi)星總體方案，具備兩種重要功能。

功能一：掃描探測(cè)即將落到地球上的小行星并且采取一定的措施。

功能二：防止太空垃圾對(duì)衛(wèi)星、火箭等的干擾。

掃描探測(cè)并將數(shù)據(jù)傳回地球，提醒地面注意并發(fā)射導(dǎo)彈防御。

例如，要發(fā)射一個(gè)火箭，但有一個(gè)太空垃圾可能威脅到火箭的安全。這時(shí)，我們的立方星就能讓這個(gè)太空垃圾改變運(yùn)行軌跡，從而避免危險(xiǎn)的發(fā)生。

為什么要提出這樣一個(gè)課題？

提交方案后得到專家積極反饋：

本方案描述了在地球同步軌道以激光定位探測(cè)為主要技術(shù)的小行星檢測(cè)系統(tǒng)，方案中設(shè)計(jì)了周期為3h，掃描角度為270°進(jìn)行定位掃描的方式，通過這種方式檢測(cè)在掃描范圍內(nèi)是否會(huì)出現(xiàn)小行星。選題比較具有時(shí)代性，能夠關(guān)注目前深空探測(cè)的熱門議題。

一般科學(xué)家進(jìn)行研究時(shí)會(huì)確定方案的關(guān)鍵核心技術(shù)以及技術(shù)實(shí)施的有效性，該方案是地球同步軌道的周期性深空掃描是否能夠做到及時(shí)的預(yù)警監(jiān)測(cè)。

對(duì)本方案建議從如下幾個(gè)方面進(jìn)行深入研究和完善：

（1）目前各國科學(xué)家已經(jīng)通過觀測(cè)建立了數(shù)十萬顆的小行星數(shù)據(jù)庫，科學(xué)家可以通過計(jì)算預(yù)測(cè)這些小行星的運(yùn)動(dòng)軌道，方案中可以探討在地球同步衛(wèi)星軌道檢測(cè)哪些類型尺寸的小行星。

（2）建議可以通過分析數(shù)據(jù)庫設(shè)定周期性觀測(cè)的目標(biāo)小行星，將觀測(cè)目標(biāo)具體化，以便于從宇宙背景中區(qū)分探測(cè)到的物體是目標(biāo)小行星。

針對(duì)專家的方案反饋建議，我們進(jìn)行了仔細(xì)分析和有效改進(jìn)，形成如下關(guān)鍵技術(shù)。

2? 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 激光測(cè)距

想要防御小行星，首先就要做好測(cè)距。我們采用的是激光測(cè)距，該儀器是利用調(diào)制激光的某個(gè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的距離測(cè)量。

若調(diào)制光角頻率為ω，在待測(cè)量距離D上往返一次產(chǎn)生的相位延遲為φ，則對(duì)應(yīng)時(shí)間t可表示為：t=φ/ω。求解距離D公式可表示為

D=1/2 ct=1/2 c·φ/ω=c/（4πf）（Nπ+Δφ）=c/4f （N+ΔN）=U（N+）

式中：φ——信號(hào)往返測(cè)線一次產(chǎn)生的總的相位延遲;ω——調(diào)制信號(hào)的角頻率，ω=2πf;U——單位長度，數(shù)值等于1/4調(diào)制波長;N——測(cè)線所包含調(diào)制半波長個(gè)數(shù);Δφ——信號(hào)往返測(cè)線一次產(chǎn)生相位延遲不足π部分;ΔN——測(cè)線所包含調(diào)制波不足半波長的小數(shù)部分。

總體尺寸：50mm×50mm×30mm。

主要材料：鈦合金。

設(shè)計(jì)要求與注意事項(xiàng)：體積較小，精確度高，反應(yīng)靈敏。

能源：太陽能。

主要模塊：激光接收器、激光發(fā)射器、輔助接收器、線路傳輸接口和備用數(shù)據(jù)傳輸器。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸

在衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸中，處于環(huán)繞地球軌道上的衛(wèi)星作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊欢耍òl(fā)送端、接收端或中繼站），能與地面直接進(jìn)行無線電通信的覆蓋面很大。因此衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸是實(shí)現(xiàn)地球上遠(yuǎn)距離信息傳輸、處理的有力手段。

對(duì)地?cái)?shù)據(jù)交換傳輸系統(tǒng)是實(shí)施危險(xiǎn)小衛(wèi)星預(yù)警的關(guān)鍵，其功能是當(dāng)小行星出現(xiàn)威脅時(shí)，通訊系統(tǒng)會(huì)迅速將情況和相關(guān)數(shù)據(jù)通過無線電波傳送回地面，進(jìn)行綜合處理。

總體尺寸：30mm×40mm×10mm

主要材料：鈦合金、硅晶體。

設(shè)計(jì)要求與注意事項(xiàng)：力求保證質(zhì)量的前提下體積最小，重量最輕;精確度高，反應(yīng)靈敏。

能源：太陽能。

主要模塊：無線電波收發(fā)器。

2.3 能源系統(tǒng)

由于我們搭載的是小立方星，我們采用的能源主要是太陽能，所采用元器件為：太陽能板、壓縮的石墨烯電池。太陽能板在載荷表面覆蓋，并有兩塊太陽能板翼存在。

根據(jù)電量計(jì)算公式

P=Ns×Np×Wp

式中：P——太陽能電池組件的總?cè)萘?Ns——太陽能電池組件的串聯(lián)塊數(shù);Np——太陽能電池組件的并聯(lián)數(shù);Wp——單塊太陽能電池組件峰值功率。

太陽能板設(shè)計(jì)尺寸：99m×50mm×0.002mm，電池：10mm×10mm×10mm。根據(jù)上面公式，預(yù)計(jì)每小時(shí)大約可以產(chǎn)19.8W電。

能源儲(chǔ)存原理：兩塊太陽能板翼從載荷內(nèi)部展開后，與載荷表面太陽能板同時(shí)運(yùn)行，太陽能板吸收太陽能，將太陽能轉(zhuǎn)化成電能，使零件能夠運(yùn)行，將一部分能源儲(chǔ)存在載荷內(nèi)的壓縮石墨烯電池內(nèi)，必要時(shí)將內(nèi)部電量釋放進(jìn)行使用。

設(shè)計(jì)要求與注意事項(xiàng)：太陽能板使用超薄太陽能板，這種太陽能板是目前全球最薄、最輕的有機(jī)太陽能電池。其厚度僅有1.8～1.9μm。

3? 結(jié)語

希望能通過我們的設(shè)計(jì)，在盡量降低成本的同時(shí)，盡我們保衛(wèi)地球的使命和責(zé)任，也希望小行星預(yù)警防御系統(tǒng)在預(yù)警小行星的同時(shí)，能對(duì)太空垃圾的處理也發(fā)揮同樣的作用。本項(xiàng)目從開始選題到研究方向，在研究進(jìn)行的每個(gè)關(guān)鍵階段，得到了中國航天科技集團(tuán)錢航博士的指導(dǎo)，在此表示感謝！

參考文獻(xiàn)

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