原创 | 厉害了word天!——航天活动中的微小卫星

2019-12-20 03:30 军事政务 66

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导言

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?

作者:王铮

中国科学院国家空间科学中心 空间天气学国家重点实验室

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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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只有邮票大小的“芯片卫星”

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。

注释

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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