小衛星內藏大乾坤 超微型人造衛星漸成研究熱點

2010/8/24   (7670)   原稿來源: http://big5.ce.cn/gate/big5/sc

隨著電話、電腦以及數位相機小型化技術的發展和日益完善，人造衛星的小型化也逐漸進入了人們的視野。由於這種重量小于10公斤的超微型衛星，設計簡便、製造及發射成本低廉，極有可能改變人類探索宇宙的方式，併為天體生物學等新興學科開闢出新的發展空間。

在選擇筆記本電腦和手機時，很多人都希望它們越小巧越好。同樣的邏輯也適用於衛星的設計和製造。因為與小型衛星相比，大型衛星不僅需要大量的時間和資源來進行設計和建造，將其送入軌道也是一筆相當大的開支。如果有些任務由成本更低的小衛星也能很好地完成，那為什麼不呢？

有鋻於此，通過先進的微機電一體化系統技術，科學家們正在研製一種在重量和成本上都遠遠小于其前輩的迷你衛星。這種可小至手掌大小的小衛星甚至可以直接放進你的口袋裏。但麻雀雖小五臟俱全，常規衛星有的主要部件它們全都有：電池、軌道控制和定位系統、無線電通訊系統、分析儀器等。不同的只是在於超微型衛星上所有的元件在尺寸上更小，集成程度更高，在結構設計上比常規衛星更簡單，成本上也更加低廉。正如美國國家宇航局艾姆斯研究中心的天體生物學家奧蘭多·桑托斯所說：“它們的奇妙之處正在於此。”

來自美國宇航諮詢公司蒂爾集團的一份報告顯示，全球近4年來發射的超微型衛星的數量比過去16年的總和還多，而未來5年其國際市場預計還將增長40%。

能放進口袋的精巧“魔方”

常規衛星一般多用於通訊、導航或科學研究，充分展開後體積與一輛中巴車大小相當，重量一般在500公斤左右，即便如此，以重量為標準的衛星分類法中它也只能算是小衛星。而超微型衛星則比小型衛星還要小得多，大於1公斤而小于10公斤的被稱為納衛星(NanoSat)，小于1公斤的被稱為皮衛星(PicoSat)。

實際上，微小衛星的歷史幾乎與人類航太事業一樣長，衛星試驗最初就是從微小衛星開始的，不過那時的小衛星集成化程度低、功能單一隻能算是簡單小衛星。1993年，美國航空航太公司在一份研究報告中首次對小型衛星進行了定義，對小衛星，微衛星和納衛星進行了劃分。

但超微衛星研究的真正起步卻始於本世紀初的一項名為“CubeSat”國際間科學研究項目，它使CubeSat逐漸在世界範圍內成為了超微型衛星的通用標準。CubeSat意為立方體衛星，這種衛星從外形上看是一個邊長為10釐米的立方體，輸出功率相當於手機，重量不足1公斤。參與CubeSat衛星研製任務的美國科學家特威格斯說：“我當初用一個盒子做實驗，在上面貼太陽能電池板，看看到底多大面積太陽能電池獲得的電能才能達到我所需要電壓。最後，我決定就採用10釐米這個尺寸。”之後，美國加州理工學院的科學家喬迪·普伊格薩瑞又完善了這一系統，通過一個被稱為P-POD的裝置，用三顆CubeSat衛星組成了CubeSat實驗平臺。其中的一顆是傳統的衛星平臺，搭載定位系統和無線通訊系統，相當於整個衛星系統的大腦，而另外的兩顆衛星則主要攜帶實驗設備。

2004年，第一套CubeSat三星平臺被送入軌道。如今這些衛星開始被廣泛用於環境遙感觀測和一些基礎生物學研究當中。特威格斯稱，目前在全球至少有60所大學和研究院所參與CubeSat衛星項目研究，在近地軌道上至少有35顆到40顆此類衛星運行，其中約有四分之一仍在正常工作。

最愛“拼車”去太空

超微衛星的最大優勢是其低廉的成本，而其中節省的最大部分在發射階段。這些超微衛星不像常規衛星那樣，需要專門的運載工具將其作為首要荷載進行發射。它們一般都通過在發射其他衛星或飛行器時“搭順風車”或者與多顆超微衛星一同“拼車”的方式發射升空。據了解，美國宇航局超微衛星的發射任務一般僅需花費200萬美元，與動輒數千萬美元的常規衛星發射任務相比，這只能算是個零頭。

成本的節省同時也來自於現成的小型電子電路晶片，如微處理器，射頻發射和接收器等。這些組件與智慧手機、手持式全球定位系統以及數位相機內部的元件並沒有太大不同。

事實上，電子元件的小型化、集成化一直以來都是推動超微型衛星技術發展的動力，它們讓超微型衛星越來越“實惠”。特威格斯說：“積體電路技術的發展讓電子元件的效率和處理能力發生了翻天覆地的變化，十幾年前我們幾乎很難找到可用的小型化電子元件，而現在以不高的價格就可以買到。”

不可小視的“小不點”

成本低和週轉時間短讓超微衛星在教育領域有著無可限量的應用前景。自發起之初，這一項目就吸引大量的學生和年輕的工程師，通過一些國際組織和跨國企業的資助，他們可以親身參與從設計建造到發射的整個過程。對新一代科學家的培養來說，超微型衛星無疑提供了一個實現夢想的平臺。

借助微流技術和小型化光學探測技術的發展，超微型衛星在天體生物學的應用上已經比較成熟。在那裏你可以對充滿大量宇宙射線和失重條件下的有機體以及與生命形式聯繫密切的化合物進行研究。諸如“如果直接暴露在宇宙空間中會怎麼樣？”或者“太空環境中微生物是否會污染科研設備？”這樣的問題也會得到直接的解答。迄今為止，美國航太局已經發射了兩顆用於天體生物學實驗的超微型近地軌道衛星，距離地表的高度分別是450公里和550公里。名為“GeneSat”的衛星于2006年12月發射升空，目的是研究太空環境對細菌的影響；名為“PharmaSat”的衛星于2009年5月發射升空，目的是研究失重條件下抗菌劑對酵母菌發酵作用的影響；而即將發射的“O/OREOS”衛星將於今年晚些時候發射升空，運行在650公里高的地球軌道上，對宇宙射線以及失重對微生物和生物化合物的影響進行研究。

由於超微衛星在行動上更為靈活，結構上更為可靠，它們也極有可能被用作探索太陽系甚至更遠太空空間。它們可以沿著其他行星的軌道運行或者登陸這些行星的表面，對該星球上的化合物以及是否存在生命等狀況進行探測。

此外，超微衛星還有一項任何大型衛星都難以企及的“獨門秘籍”，那就是分佈式佈局，編隊飛行。由於體積小，成本低，可多顆同時發射升空，超微型衛星常常會以星群的方式佈局使用。達到一定規模後其作用將超過單顆大型衛星，並且即便少數衛星出現故障或受損也不會導致整個系統失靈。

毫無“野心”火中“犧牲”

超微衛星當然不會取代它們的“大個子兄弟們”，因為還有不少實驗需要更大面積的太陽能電池板來提供更多的能源，需要功率更大的天線來進行通信。正如特威格斯所說：“沒必要讓每個人都駕駛微型車，還必須有其他大型車輛來裝載更大的東西。”

除此之外，小衛星也不會增加惱人的太空垃圾問題，因為它們非常容易脫軌。在任務結束後，電池即將耗盡的超微型衛星會在指令的指引下墜入地球大氣層。由於這些衛星體積和重量都非常小，一般在還未達到地面時就會被完全燒燬。

目前，特威格斯正在與羅馬大學的研究人員一起研究一種比CubeSat衛星更小，邊長只有5釐米的立方體衛星。由於其容量只有常規CubeSat衛星的八分之一，研究人員希望其造價會更加便宜。如果計劃順利，2011年春季時將有8顆這樣的超微衛星搭載俄羅斯的運載火箭進入太空，成為CubeSat衛星的新夥伴。