天上的黑马—纳卫星_风闻

原创：牧夫天文

拥挤的地球轨道（艺术概念图）

Credit: Michael Najjar

根据联合国外太空事务办公室(UNOOSA，United Nations Office for Outer Space Affairs)的统计，截至2019年1月，约有4978颗卫星在轨，比2018年4月增长了2.68%。

众所周知，发射卫星的成本十分高昂。但大家可能不知道的是：把1千克的物体送入近地轨道便需要花费至少几千美元。美国共和党议员特德•克鲁兹(Ted

Cruz)在2018年5月举办的人类登陆火星峰会上说：“首位万亿富翁将在太空领域诞生。”但是照这种投资量来看，首位万亿富翁也可能将在太空领域破产。

纳卫星简介

面对如此高昂的成本，人类开始考虑缩小卫星的体积。

1998年，第一颗纳卫星升空，这颗卫星由柏林工业大学制造，用于通讯。之后的十五年内，陆陆续续又有70多颗纳卫星发射，但直到六年前，纳卫星的黄金时代才得以开启。2013年11月19日，美国的一家名为Orbital Science的公司发射了一枚火箭，将29颗卫星送入近地轨道。之后，该公司及俄罗斯的一家公司又发射了共计65颗卫星。

这94颗卫星中大多是立方星(CubeSat)。此后，得益于日渐成熟的微电子技术，轻型材料的研制以及高功率太阳能电池的出现，越来越多的纳卫星被用于各个领域。

立方星是什么？它和纳卫星又有什么关系？

立方星

Credit: NASA

纳卫星(Nano satellite)具体是指质量为1~10千克的卫星，它是小型卫星(Small satellite)的一种，小型卫星又是卫星的一类。（如下图所示）

卫星分类（卫星类别命名法则类似于长度单位，如微米、纳米、皮米、飞米等）

Credit: Wikipedia

立方星是纳卫星中比较特殊的一种，它以10 cm × 10 cm × 10 cm的立方体为基本单位，每单位质量不超过1.33千克，且结构按照统一标准设计。这个标准被称为**“立方星标准”**，由加州理工大学和斯坦福大学于1999年制定。按照标准，相当于n(0.25≤n≤27)个立方星基本单位的卫星就叫做nU立方星。（注：虽说按照这个标准，立方星的质量可能超过10千克，按照严格定义不能被称为纳卫星，但是有些立方星的质量并不公开，为了分类的方便，所有的立方星都被归类在纳卫星之下。）

目前在轨的纳卫星大约有2300颗。

截至2019年1月已发射的计划发射、预测发射的纳卫星数

Credit:Wikimedia

纳卫星VS传统卫星

ROUND 1 成本

一方面，手机商研发的电子元件技术可以被立方星运用，使其成本显著降低。另一方面，立方星的设计已经标准化，所以按照标准制造的纳卫星就如同批量生产的金属壳一样，其生产成本会降低。当然，由于每颗卫星的功能不同，立方星的设计有时也需要定制，以便兼容不同的科学仪器。

多样化自然会提升成本，但尽管如此，与几乎“全定制”的传统卫星相比，它的成本仍然有绝对的优势：制造并发射立方星的成本在15万~100万美元，而同等性能的传统卫星则是2亿~10亿美元。

第一回合，纳卫星获胜！

ROUND 2 研发周期

一般而言，中等尺寸(500~1000千克)卫星的研发周期在5~15年，这一阶段包括明确市场需求以及送入轨道。那么，问题就来了。第一，在如此漫长的研发周期里，市场需求很可能发生变化，最初的方案因此可能会不适用，这也就是我们常说的“计划赶不上变化”；第二，日新月异的通信技术很可能让这个十几年前设计的卫星成为老古董，总是跟不上时代的步伐。

现在再来看看纳卫星，从需求判断到制造再到发射，只需8个月！

第二回合，纳卫星完胜！

ROUND 3  业务能力

传统卫星的能力不必赘述，我们关键要看看纳卫星能否完成同样的任务。

近期，来自以色列本·古里安大学的研究团队研发了一款牛奶纸盒大小的纳卫星，它获得的图片的分辨率可以与相同直径的配置了全片幅凹面镜系统的望远镜相媲美。前段时间发射的“洞察号”火星探测器也借助了MarCO任务的立方星，这项任务包括两颗6U的立方星，旨在为太空任务提供中继通讯站。除此之外，纳卫星还被应用于GPS定位，微波信号检测及各式科学实验，真是不可小觑。如此看来，纳卫星的业务能力丝毫不比常规卫星逊色。

MarCo任务的两颗立方星

Credit: JPL

第三回合，二者打成了平手。

经过以上三个回合的激烈角逐，我宣布：获胜者是——纳卫星！

纳卫星发展前景

1.长寿命

2019年2月13日，NASA宣布，在火星上度过将近15个地球年的“机遇号”火星探测器结束了它意义非凡的一生，完成了它的使命。长寿的“机遇号”的表现远超预期——当初它的主要地表任务只计划最多维持90天！机遇号的长寿也许是得益于研究人员的认真仔细，但是它仍属个例。由于宇宙环境恶劣，充斥着高能粒子和粒子辐射，目前卫星的设计寿命通常介于1~15年，延长卫星使用寿命成为研究的方向。

也许，我们可以向神奇的大自然借鉴：受到损伤的蝾螈可以长出新的肢体；断成几段的蚯蚓可以从含有“生殖环带”的那一段再生出一个完整的个体…如果卫星使用自修复材料，能否延长它的寿命呢？美国和日本的研究人员合作，共同开发出一种聚合物，经紫外线照射，不仅能多次自我修复，还可让完全分离的碎片重新长在一起。美国研究人员研制出一种新材料，不仅能感知组织材料中的损伤，而且能修复它。人类的目标是建造出能完全自我修复的卫星，最终建立起能完全自我修复的太空平台。

2.网络化

由许多颗卫星组成的卫星网络称为**“卫星星座”(Satellite Constellation)**，其中一些卫星上配备设备后可用来修复其他卫星。纳卫星星座(Nanosatellite

Constellation)是指由多颗纳卫星组成的网络，它的布置相对常规卫星来说更加便捷，而且易于更换，从而利于维护整个系统的稳定以及更新换代。同时，纳卫星星座的功能十分强大。法国一家名为Kineis的公司计划使用20颗纳卫星构成的卫星星座开展欧洲首项覆盖全球的物联网(IoT, Internet of Things)计划；来自密歇根大学的ChristopherRuf等人计划使用8颗配备有双基地雷达接收机的纳卫星实现对热带气旋内核处海面风的快速定位；NASA的“午后列车”(A-Train)卫星星座监测着地球大气中的云、气溶胶、温室气体等，帮助我们进行天气预报、了解气候变化。

NASA的“午后列车”(A-Train)

Credit:NASA

然而，卫星太小也是有它的局限性的。太小的卫星由于目前推进技术的限制，无法安装推进器系统，不能自主调整姿态，属于被动卫星；另一方面受制于质量和内置电源功率，一些有雄心壮志的大项目还是要仰仗大中型卫星。此外，将精密的科学仪器“塞”到如此小的空间里也并不容易。所以，大中型卫星，近期你们可以不用担心“被退休”啦。

参考资料：

[1]维基百科-立方星词条、微型卫星词条

[2]www.economist.com/technology-quarterly/2014/06/07/nanosats-are-go

[3]https://www.ecnmag.com/news/2018/12/groundbreaking-nanosatellite-imaging-technology-will-revolutionize-how-we-manage-climate-change

[4]https://phys.org/news/2019-01-nanosatellite-captures-imagery.html

[5]http://www.cas.cn/kxcb/kpwz/201407/t20140714_4156902.shtml

[6]http://www.spacetechasia.com/newspace-company-kineis-to-launch-europes-first-iot-nanosatellite-constellation/

[7]Ocean Altimetry and Wind Applications of a GNSS Nanosatellite Constellation，Randall Rose, Christopher S. Ruf , Haruo Seki，http://swricygnss.space.swri.edu/Papers/OceanWind_CYGNSS.pdf

[8] The CYGNSS nanosatellite constellation hurricane mission, Christopher Ruf,

https://www.researchgate.net/publication/261241338_The_CYGNSS_nanosatellite_constellation_hurricane_mission

[9] https://www.nanosats.eu/

[10] https://www.pixalytics.com/satellites-orbiting-earth-2019/

[11] https://alen.space/basic-guide-nanosatellites

[12]微型卫星群：太空探索新方式，《环球科学》2019  1月号

『天文时刻』 牧夫出品

微信号：astronomycn

“金星日出”艺术模拟图

影像来源：Bing