大家好
下面我们来讲小卫星
今天我给起的标题是 小卫星 大能耐
看到这个题目
有人可能会有几个疑问
第一就是
为什么是小卫星 而不是大卫星
小卫星相比于大卫星有什么不同
第二个问题就是
多小的卫星算 小卫星
卫星的大小用什么尺度来衡量
第三个问题就是
按照通常的理解
卫星越大 功能越多
那么为什么说 小卫星具有大能耐
我希望我后面的讲解能够回答这些问题
讲解小卫星之前
我们对卫星做一个定义
什么叫做卫星
这里说的卫星通常是指人造卫星
人造卫星指的就是 围绕地球运动
具有固定轨道运动的物体就叫做卫星
如果经常关注航天方面新闻
大家可能会注意到
在2013年11月19号的时候
美国牛头怪运载火箭
曾创造了一个世界纪录
一次性把29颗卫星送入轨道
但很可惜 这个纪录仅仅维持了两天
就被俄罗斯的 第聂伯 运载火箭超越
第聂伯火箭 一次性发送了32颗卫星
进入了轨道
看到这个新闻的时候
大家可能会觉得有点疑惑
以往在我们的概念里
火箭一次性能够发送一颗 两颗 三颗
为什么美国和俄罗斯的火箭
能一次性发射二十几颗卫星
是因为他们的技术比我们先进
火箭的技术得到突飞猛进的发展吗
实际上不是的
一次性能发送这么多颗卫星
根本的原因在于卫星变小了
有多小呢 这里有个例子
我手里拿的就是一个微小卫星模型
这个模型
是我们目前正在研究的一颗卫星
它是用3D打印 制作的
大家可以看到
现在的卫星已经不再是一个庞然大物
而是可以捧在手上的
类似玩具的一个小东西
这样的一颗卫星
如果把它拆开 铺在桌面上的话
会是什么样的一个情况呢
大家可以看这个图
如果把卫星拆开的话
它上面的零件也许还铺不满一个桌面
上面零件的大小可能只有一个鼠标大小
这个就是由 夏威夷大学学生制作的
一颗立方体卫星
这颗卫星带来的好处
我想是显而易见的
我们可以在实验室里
在桌面上研究卫星
我们甚至可以用手拎着这颗卫星
进行各方面的测试
我们可以捧着这颗卫星
做各种各样的测试
以往一台设备可能只能测试一颗卫星
我们把卫星做小了之后呢
我们一次性就能测试多颗卫星
卫星一开始是不是就这么小呢
我们来回顾下卫星的发展历史
世界上的第一颗卫星
大家都知道
是由苏联著名科学家科罗廖夫研制的
这颗卫星在1957年10月4号发射
整个卫星重83.6千克
大小580毫米
上面携带了一个小型的发报机
这颗卫星的功能非常简单
在它短短的92天的寿命里
仅仅是在太空中发出 滴滴滴 的声音
虽然是这样一颗简单的卫星
但是它开创了人类历史的一个新纪元
从此以后 我们进入了卫星时代
事隔13年之后
我们中国的 两弹一星 项目
在1970年4月24号
我国利用 长征一号 运载火箭
发送了中国的第一颗卫星 东方红一号
东方红一号的质量是173千克
直径约为一米
它是一个近似于球形的72面体
在卫星运行的28天里
它向全世界播放《东方红》的乐曲
在这期间 地面上的人通过收音机
都能听到来自中国的声音
从第一颗卫星诞生开始到现在
卫星已经和我们的生活息息相关
应该说我们的日常生活已经离不开卫星
比如说 我们现在一回家 打开电视
看到的卫视 就是通过卫星来转播的
我们拿起手机 打电话
也许它的信号就是通过卫星来中继的
我们在电视中看到天气预报
气象云图就是由卫星来拍摄的
气象新闻里提到的海洋的温度 浪高
也是由卫星来观测的
我们现在还利用卫星
来监测城市化建设的发展
利用卫星对环境进行监测
相信不久 我们可以利用卫星
来对比较头疼的 雾霾问题
进行监测
卫星除了在日常生活中得到应用以外
在军事上也有广泛的用途
我们通常说 一场战争的开始
兵马未动 粮草先行
但随着科学技术的发展
应该可以说是 兵马未动 卫星先行
我们利用卫星对战场进行监测
通过卫星进行信息的交互 通信
我们利用卫星来对敌方的坦克 船只
进行导航和定位
可以说 离开了卫星
我们甚至不能进行一场战争
鉴于卫星的重要作用
从 东方红一号 开始
我们国家陆续地研制了
资源系列 海洋系列 风云系列
等一系列卫星
中国踏入了世界卫星大国
在地球外面这么多的卫星
如果进行分类的话
可以按照轨道类型来分
低轨 中轨 高轨
按卫星用途来分
有进行科学实验的卫星
有进行军事和民用的应用卫星
还有进行技术实验的卫星
如果说我们按照卫星大小来分
可以分为
大卫星 小卫星 微小卫星和皮纳卫星
这里 我们重点关注 按照大小来分
既然说到卫星的大小
我们就要来看看 卫星的 大 到底有多大
按照我们前面提到的定义
在地球外面 具有固定轨道的运动物体
都可以称之为卫星
我们人类最大的一颗人造卫星
就是国际空间站
它大概有多大 我这里举个例子
以我们中国的 辽宁号 为例
辽宁号航空母舰 长度是300多米
国际空间站的长度目前达到108.4米
辽宁号 舰体的宽度为85米
国际空间站舱体的长度达到74米
可以毫不夸张地说
国际空间站是人类在太空中的航空母舰
从另外一个角度 航天器的大小
往往反映了一个国家的科学综合实力
美国 欧洲现在发射的卫星
都已达到了吨级以上
我们国家目前最大的卫星是 天宫一号
目前达到了8.5吨
在轨达到了8.5吨
所以如果我们以质量为尺度
对卫星的大小进行比较的话
我们认为超过1000千克的卫星为大卫星
也就是我们通常意义上的卫星
1000千克以下 100千克以上
这样范围内的卫星 我们认为是小卫星
那么在10千克到100千克这样的范围内
被认为是微小卫星
而10千克以下 被认为是纳卫星
1千克以下 或更小 我们可以称为皮卫星
为什么会出现这样的一个发展
卫星从小到大 又从大变小
这样发展的原因是什么
实际上 我们真正意义上理解的小卫星
是从20世纪80年代开始出现的
而至今发展速度之快 技术水平之高
超出了人们的估计
微小卫星的出现和发展
可以与计算机 从台式机进入笔记本
航空业从有人机进入无人机 相提并论
我们认为微小卫星和小卫星技术的发展
将会引起空间技术的一场重大革命
可以进一步推动空间应用的普及化
相信在未来会出现私人定制的卫星
那么推动这样一个技术发展的原因是什么
是什么导致微小卫星的兴起
我们认为有两个方面的需求
首先是用户的需求
大家都知道 现在一颗商业的卫星
它的成本动辄上亿
商业部门从降低成本的角度出发
希望把卫星越做越便宜
而科研部门由于受到经费的约束
希望在有限的经费内
能够做更多的实验
进行更多的科研项目
军事部门则在时间上有需求
现代的一场战争
往往它的周期只有一周或几个月
所以军事部门希望可以有
快速机动的卫星满足他们的需求
另外一方面 由于技术上的进步
比如微电子技术 微机械技术
轻型复核材料 超精密机械加工等
使得卫星可以做小
因此在技术进步和客户需求的推动下
小卫星得到了兴起
可以用这样的口号描述目前小卫星的发展
更好 更快和更省
希望在最短的时间内 用最低的费用
做出最好的卫星
可以说 小卫星
它的小 不仅仅是体积小
小 不仅仅是它的特点
它最重要的内涵 应该是
采用现代化设计技术
其电子和机械部分
具有高功能密度比的技术先进卫星
所以从这个技术上来讲
世界上的第一颗卫星
虽然在质量的尺度上属于小卫星
但是在内涵定义上并不符合小卫星的定义
我们认为现代的微小卫星的特点应该是
体积小 重量轻 周期短
成本低 发射快 风险小
这样的一颗微小卫星
除了具有大卫星的功能和用途以外
它还可以广泛地应用在
土地利用 国土的覆盖分析上
用在环境监测方面
可以利用在精细化的农业方面
对整个城市的发展监测 灾害监测 考古等
都可以看到我们小卫星的身影
利用微小卫星全球覆盖每日更新的有力条件
我们可以对土地植被 冰川融化等
进行科学研究
我们可以对洪水 森林灾害等进行监测
能够实时发现需要救助的地方
那么 微小卫星到底是由哪几部分构成的
它和大卫星有什么不同
这里 我以南航 天巡一号 微小卫星为例
进行说明
天巡一号 微小卫星
是由南航完全独立自主研制的一颗微小卫星
整个卫星在轨重量是62千克
高度尺寸小于1米
在2011年11月9号发射入轨之后
截至目前已经两年多
目前依然在轨正常地工作
这颗卫星由7个分系统构成
一般的卫星大概也有这么多的系统
通信分系统 确保卫星跟地面的信息交互
数据综合分系统 类似于一个人的大脑
能够对卫星进行全面的管理
姿态确定和控制分系统
能够保证卫星具有一个正确的姿态
例如能够对地 还有对日
电源分系统
确保卫星在没有光照的条件下
依然能正常地工作
结构分系统 类似于一个人的骨骼
卫星上的所有单机设备
都是安装在这个结构上的
热控分系统是一个比较特殊的分系统
大家都知道
在太空中 温度环境是非常恶劣的
有光照的情况下 可以达到100度
没有光照的情况下是﹣100度
热控的分系统所起的作用
就是 能够保证在有光照的情况下
卫星内部的温度依然能达到要求
最后一个系统是载荷分系统
载荷分系统往往是由卫星的任务决定的
比如 天巡一号 上面携带的CCD相机
图上显示的就是
天巡一号 在过去的两年多内拍摄的图片
例如 第一幅图显示了海岸线和海里的船只
第二幅图显示的是机场
第三幅图显示的就是拍摄的大坝和河流
通过这样一颗微小卫星
我们能够对全球关注的一些热点进行覆盖
比如前段时间 马航飞机失事的事件
根据新闻媒体报道的飞机失事地点
我们卫星对这些地点也进行了拍摄
但是很可惜我们没有得到任何有效的信息
卫星内部的器件如图（所示） 可以看出
采用了微小卫星通常用到的一些器件
比如姿态系统 采用的磁强计 陀螺
动量轮和太阳敏感器等
卫星上还采用了GPS接收机
对卫星轨道进行实时定位
鉴于微小卫星功能越来越强
近几年来 100千克以下的卫星
在整个航天主要活动领域内
稳定保持在40%以上
去年 美国有一家商业咨询公司
发布了一个需求评估报告
报告认为 在未来10年 50千克左右的小卫星
仍保持高速增长的趋势
到未来2020年 全球微纳卫星的需求
年产量可以达到188颗
目前国外的发展状况是
美国和欧洲仍然是小卫星发射的主力军
一些新兴的国家 如巴西等这些国家
希望借助小卫星进行一个突破
表中显示了1995年到2013年
美国有关小卫星的一系列的发展计划
下面我来介绍一些有意思的微小卫星
这边显示的是强力卫星
前面我们提到 卫星通常
都是由火箭发射入轨的
还有没有别的方式进行卫星的发射呢
答案是有的
借助小卫星体积小 重量轻的优势
强力星 就从航天飞机上弹射出来
实现了二次投射
在这样一颗小卫星上
进行新型太阳能电池实验
低功耗 微系统的实验
以及记忆合金释放技术实验
微小卫星除了和平利用以外
微小卫星还可以利用在空间对抗
利用微小卫星来验证空间对抗技术
我们可以通过小卫星实现
从一个航天器接近另一航天器的自主能力
美国有一个很有名的 快速响应计划
也就是通常我们所说的 快响
利用微小卫星来验证快速集成 快速测试
快速发射和快速空间应用
把微小卫星的优势发挥出来
另外 美国还开发了 服务卫星 技术
通过研究实现带有服务功能的微小卫星
来进一步提升卫星在太空里面的生存能力
我们可以通过加注燃料
甚至通过维修等方式来延长卫星的寿命
除了美国以外 有关微小卫星方面
不得不提 英国的萨里卫星技术公司
事实上
世界上第一颗微小卫星就是诞生在英国
是由当时的马汀博士在博士论文中
利用商业器件搭建出了这样一颗微小卫星
借助自身体积小 重量轻的优势
微小卫星的发射
一箭多星 已经成为了主流
利用国际空间站或空间站进行
在轨二次释放的小卫星数再创新高
目前小卫星仍以实验技术为主
但是已向行业化方向发展
由于小卫星突出的功能
因此 传统的卫星制造商
对于小卫星的关注度开始加大
这里 我特别需要提到的就是
小卫星在教育 教学产业中的应用
图中显示的是2013年1月11日
在太空中进行的一场挑战赛
中学生利用自己编写的程序
控制空间站里的小卫星
来演示验证
去除太空垃圾 卫星对接 还有穿越碎片
这样的一个能力
这是典型的 小卫星应用在教学教育中
现在国外还有用手机制作卫星的
用手机里的器件 重新进行搭配 连接
做成这样基于手机的卫星
甚至有的学校利用罐头来制作罐头卫星
国内第一个发射微小卫星的高校是清华大学
紧接其后的是哈工大
哈工大发射的 试验一号
在国内 首次验证了立体成像
第三是浙江大学的皮星
皮星验证了MEMS技术
第四就是我校的 天巡一号
在国内首次验证了在轨隐身技术
第五是国防科大的 天拓一号
它验证了模块式的卫星
综合前面所讲的这些内容
我们可以得到如下一些启示
小卫星目前已经逐渐成为
空间创新的主战场
利用卫星体积小 重量轻
数量多的优势
我们可以实现星座的组网和编队
使得卫星以卫星群的形式出现
取代大卫星
另外
卫星模块化 标准化 和开放式的体系结构
进一步推动了卫星的发展
我们认为
以20%的成本来满足80%的设计需求的思想
能够带动卫星整个研制模式的变革
我们相信随着更多的人来关注微小卫星
微小卫星一定会得到更好更持续的发展
谢谢