| 词条 | 纳米卫星 |
| 释义 | § 纳米卫星的由来 纳米卫星 在航天发展史上，由于受运载能力及技术水平的限制，早期研制的卫星都采用小卫星方案，其重量只有几十公斤。70年代末，由于大推力运载火箭的研制成功和设计与制造能力的提高，大型多功能卫星开始出现，卫星体积不断增大，功能也越来越复杂。随之而来的是成本不断攀升，风险逐渐增加。如一枚大力神/半人马座运载火箭连同所发射的侦察卫星价值可达10.5亿美元以上， 一旦发射失败就会造成严重的损失。为此，航天界又将目光重新投向了小卫星。 1984年，美国国防高级研究项目局实施了全球低轨道信息中继（GLOMR）计划，在一年之内，以不到100万美元的投入制造了一颗数字式存储转发型中继卫星。这颗星重67.5公斤，直径0.4米，自旋稳定，由美防御系统公司制造，1985年10月由航天飞机上的专用分离罐成功地弹射出去，1986年脱离轨道前完成了所赋予的任务。卫星以1.2千比特/秒的速率进行数据传输，发射机最大功率为10瓦，用于接收并传输设置在极地冰帽下的水下监视器采集的数据。它的研制和使用标志着小卫星重新获得了航天界的重视。 纳米卫星此后，国防高级研究项目局、美国航宇局、美海军以及一些大学和公司相继研制了一系列小卫星，如多路通信卫星（MACSAT，美国）、萨里大学星（UOSAT，英国）系列卫星、韩国电信局星（KETSAT）系列卫星、通信、记录与观测多功能自主试验卫星（MAESTRO，美国）、韦伯星（美）、信息包星（PACSAT，美）和卢萨特（LUSAT，阿根廷）等等，掀起了一股研制应用小卫星的热潮。 由于技术，特别是微电子技术的进步，新一代的小卫星采用了许多小型高性能电子部件，使得它们具有一些大型卫星才有的功能，并为小卫星进一步微型化，进而发展成微型卫星奠定了基矗如新型的数据传送微型卫星可以采用最新研制的效率为３０％的串联太阳能电池覆盖整个卫星表面，在阳光直射时可获得８瓦的功率，从而解决动力问题，进一步减轻质量。如果能将所有的电子器件都集成在一个直径0.1米的硅圆片上，则这个圆片可以取代卫星主板而大大减轻质量。 采用镁或复合材料代替铝，在电子系统中应用高密度组装技术，可使一颗业余无线电爱好者微型卫星质量从以前的10公斤减至5公斤，而且功能不受影响。 一般来说，小卫星重约10～500公斤，微型卫星的重量比小卫星低了一个数量级，重约0.1～10公斤。但无论是小卫星还是微型卫星， 其设计思想均未脱离传统卫星设计的巢臼——一体式结构，即自身具有某种完整的实用功能，而在现有的技术条件下，一体式结构的卫星重量很难进一步减轻。若要使微型卫星进一步减轻重量，需要从设计思想上来一个根本性的变革，用一种前所未有的方法来设计卫星，采用分散的星座式结构。基于这种思想，美国宇航公司于1993年在一份研究报告中首次提出了纳米卫星的概念。 纳米卫星 近年来，由于军用卫星向大型化、多功能发展，随之带来的风险也不断增加。在军事领域，由于卫星的功能越来越强，其独特的优越性已越来越明显，在侦察、监视、导航、预警和C4I等系统中，军用卫星起着举足轻重的作用，已成为各主要军事强国战争体系的有机组成部分。然而现代军用卫星体积越造越大，功能越造越复杂，随之也带来了许多问题。 一是要承受经济损失的风险。由于体积的增大，重量增加，成本提高，对卫星的发射技术要求高，一旦发射失败，就会造成难以估量的经济损失。 二是要承受功能丧失的风险。一方面，由于功能高度集中；反而增加了卫星的脆弱性，只要其中某一部件或某一分系统损坏，就会影响整个卫星功能的发挥。另一方面，随着各种反卫星武器系统的出现，军用卫星遭受攻击的可能性越来越大。功能高度集中的卫星，一旦遭受攻击，将很可能丧失全部功能。如1981年用高能激光器，使美国一颗军用卫星中的照相、红外电子设备完全失效。1997年10月17日，美国也进行了激光打卫星试验。为此，军事部门已将目光投向了小型卫星、微型卫星。 纳米技术的发展为卫星小型化、微型化提供了技术基础。 人们在改造自然的进程中，已经从物质的毫米一微米层次进入到分子一原子的纳米层次，纳米技术也应运而生。纳米技术的基本特征是以精确完美的控制和准确入微的离散方式，快速排布分子或原子结构，按照人的意向操纵原子、分子或原子团、分子团，制造出具有特定功能的微型设备，从而使物质加工处理技术提高到前所未有的水平。 将纳米技术、新材料技术应用于军用卫星领域，就可以使机电系统微型化，实现新一代军用卫星袖珍化。若超导技能取得重大的突破，将进一步推动卫星向小型化、微型化方向发展。 设计思想上的突破，为纳米卫星的诞生奠定了理论基础。 一般来说，小卫星重10～500公斤，微型卫星的重量比小卫星低了一个数量级，重100克～10公斤。但无论是小卫星还是微型卫星，其设计思想均未脱离传统卫星设计“一体式”结构的思路，即自身具有某种完整的实用功能，而在现有的技术条件下，一体式结构的卫星，重量很难进一步减轻。若要使微型卫星进一步减轻重量，需要从设计思想上来一个根本性的变革，用一种前所未有的方法来设计卫星，即采用“分散的星座式”结构。采取这种设计的卫星，重量可以降到100克以下。这也就为纳米卫星提供了理论基础。 § 基本概念 纳米卫星 美国于1993年首次提出纳米卫星的概念。 纳米卫星采用MRMS（微型机电一体化系统）中的多重集成技术，利用大规模集成电路的设计思想和制造工艺，不仅把机械部件像电子电路一样集成起来，而且把传感器、执行器、微处理器以及其他电学和光学系统都集成于一个极小的几何空间内，形成机电一体化的、具有特定功能的卫星部件或分系统，使装置轻小、坚固，可靠性提高，从而出现更多优势：一是卫星具有可重组性；二是分布式的星座结构，可以大大提高卫星的生存能力；三是纳米卫星重量轻，可不使用大型运载工具进行发射，其成本可比一般卫星大大降低；四是分布式的星座结构，可以多次发射；五是纳米卫星的研制将不再需要大型的实验设施和高跨度厂房，而可以在大学、研究所的实验室里进行，给研制工作带来了极大的方便，也降低了研制费用。 纳米卫星虽然有非常诱人的前景和优势，但纳米卫星目前还停留在概念阶段，要想变成现实，还需解决一些技术问题： 发展纳米卫星的第一步，是利用其核心技术一MEMs使现有卫星分系统和部件微型化，研制有较强功能的微型卫星，然后再发展分布式的空间系统结构关键技术，最终实现超小型的纳米卫星。若在太阳同步轨道的18个等间隔的轨道面上，各自等间隔地布置36颗功能不同的纳米卫星（共648颗），就可保证在任何时刻、对地球上任何一点都能进行连续覆盖与监视，相当于三颗地球同步观测卫星的功能。若在太空的不同轨道上设置1000颗具有低功率（一瓦）发射机／接收机的纳米卫星，可构成一个相控阵雷达系统，能产生有很强方向性的一千瓦射频或微波波束。 从目前的发展来看，采用MEMS技术使航天器制导、导航、控制系统小型化的工作已初露端倪。 纳米卫星的应用前景非常广阔，但要真正变成现实还有很长的路要走。 § 应用领域 纳米卫星 纳卫星（NanoSat）通常指质量小于10公斤、具有实际使用功能的卫星。它是基于微电子技术、微机电技术、微光电技术等微米/纳米技术而发展起来的，体现了航天器微小化的发展趋势。现已经发射的纳卫星有：俄罗斯航天研究院的SPUTNIK-2卫星、美国的Bitsy卫星、AUSat卫星、PICOSAT卫星、英国的SNAP-1卫星等。为了降低发射费用，纳卫星多采用一箭多星的搭载方式发射。 纳米卫星技术研究及其组网应用技术是国际卫星技术研究的热点之一，属高新技术探索范畴。主要应用在通信、军事、地质勘探、环境与灾害监测、交通运输、气象服务、科学实验、深空探测等方面。 1、教学与科研实验 皮卫星/纳卫星的系统复杂度比大型卫星低，研发周期较短（约二年），所需研发及发射经费皆远低于大型卫星，因此，学生的构想具有实现的可能。学生可以大胆使用商用组件，例如一些微小卫星使用商用无线通讯手机模块，当作卫星通讯组件，从而对商业组件做太空验证，使以后卫星的组件成本大幅降低。学生也可将自制的组件，放到太空去验证效能，例如天线及太阳能板的展开机构等，以让日后其它卫星采用。 2、太空科学实验平台 皮卫星/纳卫星虽小，但却是非常重要的太空科学实验平台，可执行特定的太空科学实验，如卫星编队飞行、星群的无线电通信、GPS闪光、太阳风、地磁场与电离层中离子密度的测量，以及卫星的释放等。例如TU Sat 1卫星可测量太空中电浆密度，并研究缆线(Tether)通过电离层所产生的电动力学；QuakeSat卫星使用磁力计测量高空的超低频磁场，研究其和地表地震的关联性等等。此外，皮卫星/纳卫星可经济快速提供新技术空间飞行试验和演示，特别是用来对将来在太空应用的微机电(MEMS)技术以及使用MEMS技术的传感器或推进系统等技术进行太空验证。 3、通讯 皮卫星/纳卫星一般在低轨道(低于1000km)使用，常采用搭载发射，成本低，因此特别适合稀路由、非实时的低成本通信应用，如电子邮件、传真、电报、数据等业务。例如TU Sat1卫星就以提供发展中国家的电子邮件通讯为其卫星任务之一；nCube卫星用来接收船只广播的AIS讯号，包括船只的位置、速度及方向的数据，再将此数据转送到地面，可用来监控船只的安全状况。此外，由皮卫星/纳卫星组成的卫星星座在灵活应急通信方面也存在极大的潜在优势。 4、光学照相 皮卫星/纳卫星可作为光学照相平台。例如日本东京大学XI-IV卫星使用CMOS商业用照相机，拍摄到地球及太阳的影像，由此可验证CMOS传感器在太空的应用效果。此外，英国萨瑞公司的SNAP-1卫星已经对与其一起发射的另外两颗卫星进行了拍照，并将图像传回到地面，为地面控制人员提供从外部观测在轨航天器的能力。 5、星群应用 皮卫星/纳卫星的特点是单颗卫星体积小，功能单一，但多颗卫星组成星座后可以实现并超越1颗大型卫星的功能。同时，由于其发展成本低，并且一次可用火箭发射多颗，所以在星座组网方面具有极大的优势。因此皮卫星/纳卫星常常以星群的形式部署使用，以发挥“蚂蚁雄兵”的强势效果。例如ICE计划同时发射两个微小卫星，使二者相距100米以上，以同时测量GPS卫星讯号的差异，研究GPS讯号通过大气层的讯号闪耀(scintillation)现象。 6、军事用途 皮卫星/纳卫星在军事上具有广泛的应用前景。这种卫星不仅成本低、可以批量生产，还具有可重组性和再生性。例如，在若干太阳同步轨道上等间隔地布置648颗功能不同的纳卫星，就可以在任何时刻对地球上任何地点进行连续监视和干扰，即使少数纳卫星失灵，也不会使整个系统瘫痪，仅降低一些功能而已。又例如，皮卫星/纳卫星可集成和分散。所谓集成就是由几颗完全相同的皮/纳卫星组装在一个轻便框架上，平时通过每颗卫星的低分辨率相机，对相同地区拍照，然后集成为高分辨率图像；所谓分散就是在战时释放这些皮/纳卫星，让它们分布在敌星周围（绕飞）进行监视、干扰和攻击。总之，微小卫星由于体积小、隐蔽性好、快速反应、机动性好、生存能力强、成本低等特点，特别适用于局部战争和信息战争，具有重大的军事效益。 § 对航天技术发展的影响 纳米卫星 纳米卫星采用ＭＥＭＳ中的多重集成技术，即利用大规模集成电路的设计思想和制造工艺。它不仅把机械部件像电子电路一样集成起来，而且把传感器、执行器、微处理器以及其它电学和光学系统都集成于一个极小的几何空间内，形成机电一体化的具有特定功能的卫星部件或分系统。这种由分散趋近集成的设计方法，可以使装置轻孝坚固，提高可靠性，轻而易举地实现航天器设计人员梦寐以求的目标，而且可以用同一工艺制作成千上万个装置，如同专用集成电路一样进行批量生产，从而明显降低纳米卫星及其部件的造价。 由于纳米卫星重量很轻，可不使用高成本的大型运载工具进行发射，其成本可比一般卫星大大降低。分布式的星座结构可以多次发射，其中某一部分坏了很容易修复和替换，承受大的经济损失和系统失败的风险几乎为零，可靠性增加。从军事上说，分散布置使系统的生存能力提高。另外，纳米卫星的研制将不再需要大型的实验设施和高跨度厂房，而可以在大学、研究所的实验室里进行研制，这也降低了它们的研制费用。 但正像任何事物都有其正反两方面一样，纳米卫星需要由一定数量的卫星形成分布式的星座系统才能实现其功能。这大大增加了系统的复杂程度，为不同功能的纳米卫星之间的连接、数据传输、功能协调提出了更高的技术要求。根据美国国家侦察办公室的看法，目前研制的小卫星的对地观测分辨率还比不上大卫星，且管理由众多的小卫星组成的卫星网络的花费比管理由少量大卫星组成的网络的花费要大。 § 发展的途径及可行性 纳米卫星系统 如前所述，纳米卫星的概念是在ＭＥＭＳ技术发展的基础上提出来的，迄今为止还仍然是纸上谈兵。但美国宇航公司纳米技术工作组的专家们认为，用已掌握的ＭＥＭＳ技术制造一台在100公里高度上每个像素的分辨率为7米（对应400公里高度的分辨率为28米）、具有飞行功能的微型相机是可能的。这种相机卫星使用一个2000×2000像素的低噪声CCD阵列，其组成的探测器阵列面积可缩减至1.2平方厘米，集成到一个图像处理圆片上，可形成完整的微型光学传感器分系统，既可提供窄角视场覆盖，又可实现宽角视场覆盖，重量可小于1公斤。 他们提出，发展纳米卫星的第一步是利用其核心技术——ＭＥＭＳ使现有卫星分系统和部件微型化，研制有较强功能的微型卫星，然后再发展分布式的空间系统结构，掌握关键技术，最终实现超小型的纳米卫星。 从目前的发展来看，采用ＭＥＭＳ技术使航天器制导、导航、控制系统小型化的工作已初露端倪。如美加州大学伯克利分校已研制了一种微型机械式加速度表，还正在研究执行机构。一直致力于研制微型惯性测量组合（MIMU）的德雷珀实验室正在努力研制在“一块芯片”上的低成本的惯性测量组合（IMU），即三轴陀螺和三轴加速度表。霍尼韦尔公司已制造出一种微型机械式陀螺，目前的研究重点是研制在芯片上的光纤陀螺。同时，该公司还在研制一种能降低敏感器尺寸的紫外光地球敏感器和星敏感器。喷气推进实验室已研制出一种隧道读出加速度表和红外探测器，灵敏度极高，体积则比常规同类仪表减小很多。洛克韦尔公司、卫星通信技术公司也都在根据各自与美国航宇局和陆军的合同，致力于研究用于制导、导航和控制系统的ASIM。据报道，美国已运用ＭＥＭＳ加工技术研制了三种使卫星通信系统微型化的微结构，即开槽波导、单片矩形波导和大型阵列波导。这三种结构充分利用了芯片表面积，极有可能被美国空军空间与导弹系统中心（SMC）计划中的微型卫星系统的设计所采用。 美国还研究了小型喇叭辐射体和反射天线及其阵列，其中一些已利用现有的MEMS工艺制造了样品，有的研究人员已成功地演示了集成喇叭天线在90、240和802吉赫毫米波的应用。 美国已研制了冷却液通道宽25微米，深200微米，导热片厚15微米的微型换热器，设计能承受的局部热量大于１千瓦/平方厘米， 固定面与工作液体之间的温差为10～20摄氏度，可用于卫星的温度控制系统。 目前的主要问题之一就是尚不掌握在半导体基片上制造微型推进系统的技术。正在研究的方案有化学微推力器、小型发电机以及光发动机等等。 纳米卫星趣闻：平均每1公斤纳米卫星：1。研制费用为8万---10万美元。2。发射费用2万--4万美元。 § 发展现状 纳米卫星系统 美国凭借其雄厚的技术基础已经走在小卫星发展的最前列。以美国防部高级研究计划局(DARPA)为首的军方一直对小卫星的发展寄予厚望，DARPA每年为小卫星发展投资3,500万美元。美国航宇局(NASA)也十分重视小卫星的发展，先后提出了“小卫星技术创新计划”和“新盛世计划”等一系列小卫星发展计划。 美国哥达德航天中心正在研制一种质量只有10kg的纳卫星，拟于2007年发射，用于研究日-地间的相互作用。届时，将由1枚德尔他-7925火箭同时把100颗这种卫星射入大偏心轨道。这些纳卫星将组成“磁层星座”，它们的近地点高度相同，均为12,750km，但远地点高度却不同，是从距地球表面312,000km的高度沿一条“线”向外延伸，这样就可以在不同高度同时测量地球磁层和等离子体的相互作用，这是当前用一二颗大卫星所做不到的。这种卫星的方案之一是制造直径为30cm、高10cm的圆筒形卫星，每颗卫星制造成本为50万美元。 从本世纪初美国航宇局(NASA)就开始开发一系列新技术和新产品，如自动操作技术、微型遥感器和结构紧凑的小推力推进系统等，以使卫星实现微型化。另外，刘易斯研究中心在1998年提出了一项资金预算为2100万美元的5年计划，重点是开发能在严寒、酷热、腐蚀、强振动和高应力等恶劣环境下工作的微型系统。美国喷气推进实验室(JPL)也在与学术界、工业界以及NASA的其他中心合作，每年划拨400万美元用于微型机电系统研究。 美国还制定了“大学纳卫星”计划，该项计划是由美国国防部、NASA及企业界共同发起的，目的是研制并发射10颗“大学纳卫星”（重约10kg），以演示验证微型共性技术、编队飞行技术和分布式卫星功能等。美国空军科学研究局（AFOSR）和国防部高级研究计划局（DARPA）共同出资支持该计划，由各大学设计并组装出这10颗“大学纳卫星”。各大学将进行具有创新性的低成本空间试验，并探索纳卫星的军用价值，研究范围包括增强型通信技术、微型化传感器、姿态控制技术和机动性等。 2000年2月6日，美国用“绕轨皮卫星自动发射器”（OPAL）发射了国防部高级研究计划局（DARPA）的两颗皮卫星。该反射器（OPAL）是在此前的2000年1月26日与另外4颗卫星一起发射入轨的。这两颗皮卫星每颗质量小于230g，尺寸为10.2cm×7.6cm×2.5cm，彼此通过30m长的细绳连接。它们由美国航空航天公司研制，主要用于验证MEMS技术，并进行两星之间的通信以及与地面的通信试验。2月10日，卫星电池电力耗尽，试验结束。试验取得的主要成就包括：在轨释放皮卫星、用空间监视网实现对皮卫星的定位与跟踪、使皮卫星与地面碟状天线建立通信联系等。这次成功试验对未来天基防御技术有重要意义。 随着小卫星技术的逐渐成熟，美国先后在“天基红外预警”、“发现者－2”等计划中引入了大量小卫星，但是具体的部署方案尚在研究中。可见，美国军方正在以创新的军事概念，研究各种具有独特能力的小卫星系统。如分布式卫星系统，用于通信、导航、分布式雷达以及编队飞行光学干涉测量；用于天基感知的卫星系统，执行视觉和红外地球成像、多光谱地球成像和地图绘制、目标探测与跟踪等任务；预警小卫星系统，用于跟踪飞行中的洲际弹道导弹和潜射战略导弹及其弹头，并引导拦截弹截击目标；虚拟孔径小卫星系统，用于在军事行动中提高感知能力；“后勤”卫星系统，在轨执行补给任务等等。可以预见，在未来的军事行动中，将会大量应用小卫星系统完成其他军事系统无法执行的特殊任务。 § 相关报道 纳米卫星 2006年3月，有媒体称俄罗斯专家正在研制俄第一颗“纳米卫星”，它体积比家用奶粉桶略大，仅重5公斤。这颗人造卫星有望在未来几年飞赴太空，执行对地观测任务。 据俄罗斯《科学信息》杂志报道，由俄罗斯航天设备制造科研所制造的这颗卫星，全名为“最低配置技术纳米卫星”。它的主要应用领域是远距离探测地球。这颗卫星上装有数码相机，其拍摄视野宽度达290公里，照片分辨率可达50米。卫星上的无线电发射器会将照片传回地面，购买数据的用户可用小型接收站自行接收。 俄航天设备制造科研所主任研究员瓦列里·维什尼亚科夫说，与此前其他类型的卫星相比，“纳米卫星”的优点在于重量轻、设计相对简单且制造周期短。此外，还能通过现有的“全球星”卫星通信系统直接操控卫星。 科研人员介绍说，尽管这种卫星拍摄的照片分辨率不太高，但其制造、发射和管理成本低廉，因此更加大众化，也能为更多用户服务。此外，由于可通过卫星上的调制解调器控制该卫星，因此相对于传统卫星而言，地面控制人员可更加频繁地与“纳米卫星”联系，甚至像“用手机打电话”那样快捷。 据俄专家透露，他们的试验型“纳米卫星”已于2005年进入太空，并完成了各种测试任务。俄第一颗货真价实的“纳米卫星”很可能在未来一两年内飞向太空。 2008年4月24日美国宇航局宣布，其下属的艾姆斯研究中心将与一家企业联手研制被称作“纳米卫星”的超小型卫星，以打造下一代太空通信和网络系统。 美国宇航局在新闻公报中说，今后美国宇航局将把很多“纳米卫星”发射到低地球轨道，形成一个“卫星星座”。这些“纳米卫星”将构建一个基于互联网及相关服务的“第5代通信和网络系统（5G）”，大幅提高移动通信服务能力。 § 发射 据英国每日邮报报道，世界上首批面包片大小的卫星将用于勘测系外行星的神秘生命。 这种纳米等级的勘测卫星计划于2012年发射，其唯一的用途功能是发现太阳系外类似地球可能支持生命体存活的星体。德雷珀实验室太空系统主管西穆斯-透西在美国麻省理工学院研究员的帮助下成功研制这种系外行星勘测卫星(ExoPlanetSat)，并称这是一项创新性太空任务。 系外行星勘测卫星仅有面包片大小，宽10厘米，长30厘米，该人造卫星通过勘测环绕卫星途经恒星前方时可测定恒星的亮度变化，经过计算一颗恒星的昏暗程度，科学家能计算出凌日行星的体积大小。 通过计算凌日行星环绕恒星的运行时间，可以计算出这颗行星距离恒星有多远。测量一颗恒星的亮度变化意味着该探测器必须保持稳定，任何干扰将导致图像模糊无法使用。该人造卫星所采用的特殊技术能够确保干扰影响降至最小化。 专家称，微型人造卫星的设计目的是实现与大型卫星的协同工作，比如美国宇航局两年前发射的开普勒探测器。 这种纳米人造卫星由太阳能电池板提供电能，能对大约15万颗恒星进行勘测，被认为极具未来研究价值。 每颗系外行星勘测卫星的成本约37.9万英镑，其使用期仅有1-2年时间。科学家希望未来发射一支纳米卫星舰队用于数以百计的恒星，从而确定其行星系统内部是否有类地行星。[1] |
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