納米衛星

納米衛星

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中文名 ：納米衛星 水 平 ：原子、分子或原子團、分子團 重 量 ：幾十公斤

納米衛星是一種體型小的人造衛星。其採用MEMS（微型機電一體化系統）中的多重集成技術，利用大規模集成電路的設計思想和製造工藝，不僅把機械部件像電子電路一樣集成起來，而且把傳感器、執行器、微處理器以及其他電學和光學系統都集成於一個極小的幾何空間內，形成機電一體化的、具有特定功能的衛星部件或分系統。

目錄

發展歷史

在航天發展史上，由於受運載能力及技術水平的限制，早期研製的衛星都採用小衛星方案，其重量只有幾十公斤。70年代末，由於大推力運載火箭的研製成功和設計與製造能力的提高，大型多功能衛星開始出現，衛星體積不斷增大，功能也越來越複雜。隨之而來的是成本不斷攀升，風險逐漸增加。如一枚大力神/半人馬座運載火箭連同所發射的偵察衛星價值可達10.5億美元以上，一旦發射失敗就會造成嚴重的損失。為此，航天界又將目光重新投向了小衛星。

美國於1993年首次提出納米衛星的概念

納米衛星採用MEMS（微型機電一體化系統）中的多重集成技術，利用大規模集成電路的設計思想和製造工藝，不僅把機械部件像電子電路一樣集成起來，而且把傳感器、執行器、微處理器以及其他電學和光學系統都集成於一個極小的幾何空間內，形成機電一體化的、具有特定功能的衛星部件或分系統，使裝置輕小、堅固，可靠性提高，從而出現更多優勢：一是衛星具有可重組性；二是分布式的星座結構，可以大大提高衛星的生存能力；三是納米衛星重量輕，可不使用大型運載工具進行發射，其成本可比一般衛星大大降低；四是分布式的星座結構，可以多次發射；五是納米衛星的研製將不再需要大型的實驗設施和高跨度廠房，而可以在大學、研究所的實驗室里進行，給研製工作帶來了極大的方便，也降低了研製費用。

納米衛星雖然有非常誘人的前景和優勢，但納米衛星還停留在概念階段，要想變成現實，還需解決一些技術問題：

發展納米衛星的第一步，是利用其核心技術一MEMs使現有衛星分系統和部件微型化，研製有較強功能的微型衛星，然後再發展分布式的空間系統結構關鍵技術，最終實現超小型的納米衛星。若在太陽同步軌道的18個等間隔的軌道面上，各自等間隔地布置36顆功能不同的納米衛星（共648顆），就可保證在任何時刻、對地球上任何一點都能進行連續覆蓋與監視，相當於三顆地球同步觀測衛星的功能。若在太空的不同軌道上設置1000顆具有低功率（一瓦）發射機/接收機的納米衛星，可構成一個相控陣雷達系統，能產生有很強方向性的一千瓦射頻或微波波束。

從發展來看，採用MEMS技術使航天器制導、導航、控制系統小型化的工作已初露端倪。

納米衛星的應用前景非常廣闊，但要真正變成現實還有很長的路要走。

高級研究項目

1984年，美國國防高級研究項目局實施了全球低軌道信息中繼（GLOMR）計劃，在一年之內，以不到100萬美元的投入製造了一顆數字式存儲?轉髮型中繼衛星。這顆星重67.5公斤，直徑0.4米，自旋穩定，由美防禦系統公司製造，1985年10月由航天飛機上的專用分離罐成功地彈射出去，1986年脫離軌道前完成了所賦予的任務。衛星以1.2千比特/秒的速率進行數據傳輸，發射機最大功率為10瓦，用於接收並傳輸設置在極地冰帽下的水下監視器採集的數據。它的研製和使用標誌着小衛星重新獲得了航天界的重視。

此後，國防高級研究項目局、美國航宇局、美海軍以及一些大學和公司相繼研製了一系列小衛星，如多路通信衛星（MACSAT，美國）、薩里大學星（UOSAT，英國）系列衛星、韓國電信局星（KETSAT）系列衛星、通信、記錄與觀測多功能自主試驗衛星（MAESTRO，美國）、韋伯星（美）、信息包星（PACSAT，美）和盧薩特（LUSAT，阿根廷）等等，掀起了一股研製應用小衛星的熱潮。

微電子技術發展

由於技術，特別是微電子技術的進步，新一代的小衛星採用了許多小型高性能電子部件，使得它們具有一些大型衛星才有的功能，並為小衛星進一步微型化，進而發展成微型衛星奠定了基矗如新型的數據傳送微型衛星可以採用最新研製的效率為30%的串聯太陽能電池覆蓋整個衛星表面，在陽光直射時可獲得8瓦的功率，從而解決動力問題，進一步減輕質量。如果能將所有的電子器件都集成在一個直徑0.1米的硅圓片上，則這個圓片可以取代衛星主板而大大減輕質量。採用鎂或複合材料代替鋁，在電子系統中應用高密度組裝技術，可使一顆業餘無線電愛好者微型衛星質量從以前的10公斤減至5公斤，而且功能不受影響。

一般來說，小衛星重約10～500公斤，微型衛星的重量比小衛星低了一個數量級，重約0.1～10公斤。但無論是小衛星還是微型衛星，其設計思想均未脫離傳統衛星設計的巢臼——一體式結構，即自身具有某種完整的實用功能，而在現有的技術條件下，一體式結構的衛星重量很難進一步減輕。若要使微型衛星進一步減輕重量，需要從設計思想上來一個根本性的變革，用一種前所未有的方法來設計衛星，採用分散的星座式結構。基於這種思想，美國宇航公司於1993年在一份研究報告中首次提出了納米衛星的概念。

發展現狀

納米衛星系統

美國憑藉其雄厚的技術基礎已經走在小衛星發展的最前列。以美國防部高級研究計劃局(DARPA)為首的軍方一直對小衛星的發展寄予厚望，DARPA每年為小衛星發展投資3,500萬美元。美國航宇局(NASA)也十分重視小衛星的發展，先後提出了「小衛星技術創新計劃」和「新盛世計劃」等一系列小衛星發展計劃。

美國哥達德航天中心正在研製一種質量只有10kg的納衛星，擬於2007年發射，用於研究日-地間的相互作用。屆時，將由1枚德爾他-7925火箭同時把100顆這種衛星射入大偏心軌道。這些納衛星將組成「磁層星座」，它們的近地點高度相同，均為12,750km，但遠地點高度卻不同，是從距地球表面312,000km的高度沿一條「線」向外延伸，這樣就可以在不同高度同時測量地球磁層和等離子體的相互作用，這是當前用一二顆大衛星所做不到的。這種衛星的方案之一是製造直徑為30cm、高10cm的圓筒形衛星，每顆衛星製造成本為50萬美元。

從本世紀初美國航宇局(NASA)就開始開發一系列新技術和新產品，如自動操作技術、微型遙感器和結構緊湊的小推力推進系統等，以使衛星實現微型化。另外，劉易斯研究中心在1998年提出了一項資金預算為2100萬美元的5年計劃，重點是開發能在嚴寒、酷熱、腐蝕、強振動和高應力等惡劣環境下工作的微型系統。美國噴氣推進實驗室(JPL)也在與學術界、工業界以及NASA的其他中心合作，每年劃撥400萬美元用於微型機電系統研究。

美國還制定了「大學納衛星」計劃，該項計劃是由美國國防部、NASA及企業界共同發起的，目的是研製並發射10顆「大學納衛星」（重約10kg），以演示驗證微型共性技術、編隊飛行技術和分布式衛星功能等。美國空軍科學研究局（AFOSR）和國防部高級研究計劃局（DARPA）共同出資支持該計劃，由各大學設計並組裝出這10顆「大學納衛星」。各大學將進行具有創新性的低成本空間試驗，並探索納衛星的軍用價值，研究範圍包括增強型通信技術、微型化傳感器、姿態控制技術和機動性等。

2000年2月6日，美國用「繞軌皮衛星自動發射器」（OPAL）發射了國防部高級研究計劃局（DARPA）的兩顆皮衛星。該發射器（OPAL）是在此前的2000年1月26日與另外10顆衛星一起發射入軌的。這兩顆皮衛星每顆質量小於230g，尺寸為10.2cm×7.6cm×2.5cm，彼此通過30m長的細繩連接。它們由美國航空航天公司研製，主要用於驗證MEMS技術，並進行兩星之間的通信以及與地面的通信試驗。2月10日，衛星電池電力耗盡，試驗結束。試驗取得的主要成就包括：在軌釋放皮衛星、用空間監視網實現對皮衛星的定位與跟蹤、使皮衛星與地面碟狀天線建立通信聯繫等。這次成功試驗對未來天基防禦技術有重要意義。

隨着小衛星技術的逐漸成熟，美國先後在「天基紅外預警」、「發現者－2」等計劃中引入了大量小衛星，但是具體的部署方案尚在研究中。可見，美國軍方正在以創新的軍事概念，研究各種具有獨特能力的小衛星系統。如分布式衛星系統，用於通信、導航、分布式雷達以及編隊飛行光學干涉測量；用於天基感知的衛星系統，執行視覺和紅外地球成像、多光譜地球成像和地圖繪製、目標探測與跟蹤等任務；預警小衛星系統，用於跟蹤飛行中的洲際彈道導彈和潛射戰略導彈及其彈頭，並引導攔截彈截擊目標；虛擬孔徑小衛星系統，用於在軍事行動中提高感知能力；「後勤」衛星系統，在軌執行補給任務等等。可以預見，在未來的軍事行動中，將會大量應用小衛星系統完成其他軍事系統無法執行的特殊任務。