厉害了word天！——航天活动中的微小卫星

橘梨

大家可能还记得，不久前“天宫二号”发射时，有一枚小小的伴随卫星。这枚微小卫星搭载了高分辨率全画幅可见光相机，将在空间绕飞试验过程中对天宫二号与神舟11号组合体进行高分辨率成像，把天宫二号和神舟11号交会对接后的场景用高清相机拍摄下来，给大家真实展现航天器的对接状态。
这种微小卫星，身材小、功能大，对航天事业发展非常有帮助。作为主航天器飞行的伴侣，伴随卫星离得近、看得真、24小时跟屁虫，有“近水楼台先得月”的位置优势，可以作为主航天器的安全辅助工具，对主航天器进行工作状态监测、安全防卫，还可以为航天员出舱活动及空间飞行器交会对接等提供直接的技术支持。
那么，什么样的卫星是微小卫星呢？

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天宫二号的伴随卫星

什么是微小卫星

目前流行的说法是由英国萨瑞大学提出的卫星分类方法：质量小于100 kg的卫星为微小卫星。
微小卫星一般按重量划分，10公斤到100公斤的称为微型卫星，1公斤到10公斤的称为纳卫星，1公斤以下的称为皮卫星。
单颗微小卫星的功能当然没法与大卫星相比，但是随着技术的发展，人们想实现的想法越来越多，卫星功能越来越复杂，大卫星的研制成本就越来越高，随之而来的风险也越来越大。而用多颗微小卫星以组网或编队方式形成的微小卫星星座，不仅能完成单个大型空间飞行器的功能，而且可以大幅降低成本和风险。

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微小卫星在功能与用途上跟传统卫星比没有太大不同。它们绝大部分都是在离地表高度1000公里以下的低轨运行。微小卫星的研制不需要庞大的队伍，往往几个人或十几个人就能完成，成本往往能降到传统卫星的几分之一到几十分之一。它们的一个特点是更易于组网、编队，信息传输的实效性大大增加。
研究微小卫星，逐步发展至采用微小卫星编队飞行，不仅有利于联合任务，在成本上也有很大的意义。
微小卫星本来就成本低，可以大量发射，并且容易进行标准化工艺流程的设计和制造，进一步降低生产成本和生产周期；另外，一箭多星技术与从大型航天器如（空间站）上释放小卫星技术的发展将大大降低发射成本；此外，形成模块化的卫星编队系统后，如果有损坏的个体，可以及时清除并通过编队重构或是补充新的小卫星来使系统复原，增强了对外界干扰和破坏因素的抵御，使系统更加可靠，也就降低了系统的维护成本。

伴随卫星的发展

伴星是跟随某航天器飞行的卫星，怎么才算“带你一起飞”？
首先，伴星和主航天器的轨道周期要相同，速度相同；并且它们要离的非常近。但是，它们的轨道不能是完全相同的，那样就只是一起飞行，相对位置一直不变，形不成绕飞。因此，伴星想要绕主航天器飞行，还需要它们轨道的偏心率或近地点幅角有所不同。
所谓偏心率，是描述椭圆轨道形状的，是说椭圆焦点间距离除以长轴的长度。
所谓近地点幅角，是轨道要素之一，是在轨道上天体在近地点时，相对于升交点（由南向北经过参考平面的点，以地球为中心的轨道常选地球赤道面为参考平面）的角度。
从20世纪90年代开始，美国就开始研制微小卫星作为“伴随卫星”，目的是对空间站和航天飞机进行外部检查。
作为微小卫星，它结构小、总量轻，任务配置比较灵活，而作为伴随卫星，它在运行的主航天器上发射容易实现，节约发射成本，可适应特殊任务需要，是一种新的航天器发射模式。
早在1990年5月，美国就用“侦察兵”火箭，一次发射了两颗各重6.8千克的“多路通信卫星”，这是微小卫星的雏形。
1997年11月，一颗名为“AERCam”的原型卫星在哥伦比亚号航天飞机的飞行中进行了首次试验。它是一个直径14英寸，质量35磅的球体，外部覆盖柔性材料（防止碰撞造成航天器损害），上面有两个电视摄像头、12个冷气体（氮气）推力器、两根供宇航员捕捉的带子、天线、1个射灯和6个闪烁的发光二极管，内部则有锂电池、氮气瓶、位置感应器和电子设备等。

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宇航员出舱监测AERCam

AERCam由宇航员在舱外活动时手动释放，然后在航天飞机舱内使用手柄、两台笔记本电脑以及安装于窗口的天线对它进行控制。它在航天飞机货舱上方飞行了约半个小时（其实，设计最长飞行时间约为7小时），成功拍摄并传回了电视图像。最后由宇航员手动收了它。
在这种原型的基础上，美国又开始研制新一代“伴随卫星”，名为“迷你AERCam”。由于小型化技术的进步，它的直径减少到了7.5英寸，质量仅10磅。它增加了GPS接收器、一个百万像素静止图像相机，改用了密度更大的氙气推力器和更亮的LED阵列灯，并且可以充电、也可以补充推力使用的氙气。NASA甚至为它设计了专用的对接装置，这样宇航员不用出舱就能释放和回收它，并在对接架上进行充电和加气。迷你AERCam有望在未来进一步承担定期外部检查的任务，特别是针对宇宙空间站这种长期的航天器的外部检查。
我国是第二个掌握伴随卫星技术的国家。2008年，神舟7号载人飞船就发射了伴随卫星，这是我国首次进行的在轨拍摄大型航天器的试验，使用的相机像素为130万（此次拍摄天宫和神舟11号的卫星使用相机是2500万像素）。
当时，神舟7号的伴随卫星伴飞小卫星由中科院上海微小卫星工程中心研制，采用了两舱结构一体化设计，用轻型镁合金材料作为主结构框架，整星重量不超过40公斤。它在4×8公里的椭圆轨道上环绕飞船轨道舱飞行，相机携有广角和长焦两个镜头，能够捕捉4米至2公里内的清晰图像。

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神舟7号伴随小卫星

由于微小卫星的特点，伴随卫星可以利用伴星（微小卫星）和主星（主航天器），或者释放多颗伴星组网，实现多星协同工作，完成一颗卫星单独无法实施的应用任务，提高主星应用效率，扩大应用领域。

活跃在宇宙中的微小卫星

目前全球有300余颗多种用途的现代小卫星在轨运行，它们奋战于各个专业、各个领域。
美国行星实验室公司（planet labs）仅仅在今年1月就发射了28颗微型遥感卫星，组建了全世界最大的遥感卫星群flock-1。而预计到今年年底，这一卫星群的卫星数量将达到100颗。
放眼全世界，美国已发射重量在几百千克以下的多种小卫星和重量不足10千克的试验型纳卫星和皮卫星；英国、瑞典也在2000年发射了纳卫星；法国、印度、阿根廷、智利、巴西、韩国、泰国、巴基斯坦等国已经有了自己的小卫星。此外，印度尼西亚、马来西亚、菲律宾等国以及中国台湾地区正在与航天大国合作研制小卫星或微卫星。可以说，微小卫星受到了高度的重视。
在技术攻关上，有一些非常有代表性的微小卫星：
CubeSat卫星
CubeSat是由包括中国等多个国家的研究机构和大学共同参与的卫星项目，同时也是该类微小卫星的统称。
目前，该项目有超过 30 所大学和研究机构参与，制定统一标准，由专门机构统一发射。从2003年到现在，一共进行过9次集中发射，释放了40多颗CubeSat，其中典型的包括挪威科技大学的nCube和东京大学的 CubeSatVI 等。

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nCube卫星（左）和CubeSat VI卫星（右）

Nanosat卫星
美国Nanosat计划所针对的是发展微小卫星和编队飞行技术，直到2010年已经完成了第三颗卫星（Nanosat-3）的发射。
该计划的主要目的是验证一系列与微小卫星相关的重大关键技术，如微小卫星编队飞行、星群之间的无线电通信、各种联合测量以及微小卫星的释放等。
CubeSat卫星和Nanosat卫星的数据网站，该网页（http://www.nanosats.eu/）有非常详细的卫星重量、发射时间、轨道描述、运行状态和任务目标
Orion－Emerald 计划
猎户座-绿宝石（Orion－Emerald）计划是美国航空航天局 NASA 支持的卫星编队技术的验证项目，属于前期试验任务，由一颗尺寸为45×45×45cm?、 重35kg的Orion 卫星和两颗40×40×40cm?、重15 kg的Emerald卫星组成，运行于轨道高度为500 km的圆轨道。
该任务目的是演示验证实现卫星编队飞行所需的几项关键技术，包括姿态确定技术以及多颗微小卫星协同控制完成预定义的编队构型技术的演示验证。

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Orion－Emerald卫星在轨示意图

QSAT 卫星
QSAT卫星是日本九州大学研制的微小卫星，长度不足50cm，重量不足50kg。该星用于探测地球南北两极附近的离子分布状况，预计于近期发射。
QSAT的一大特色是它的姿态控制，安装有太阳敏感器、三轴磁强计和陀螺。在太阳光照区域，通过三种敏感器的数据融合获得姿态信息；在太阳阴影区，通过磁强计和陀螺的测量进行姿态确定。通过地面仿真实验来看，它的姿态控制能力非常强。

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QSAT卫星

国内的一些微小卫星
除了上面说到的神舟7号和天宫二号的伴随卫星，我国曾发射过多颗微小卫星。
其中，由哈尔滨工业大学研制的200 kg级试验卫星一号和试验卫星三号已分别于 2004 年和2009年成功发射，开启了国内高校研制小卫星的先河。清华大学研制的30 kg的纳星一号和浙江大学研制的3.5 kg的皮星一号也都获得了成功。

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浙江大学研制的皮星一号

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