[科普中国]-空间技术-5卫星

项目背景

新盛世计划是美国航宇局（NASA）执行的新技术飞行演示试验空间计划。其目的是满足未来空间科学任务的需求，降低未来空间科学任务采用新技术的风险。新盛世计划的第 1 个航天器深空－1（DS－1）已经成功发射运行，并按计划完成了包括太阳电推进在内的一系列新技术试验任务；第 2 个航天器深空－2（DS－2）由两个微型探测器组成，1999 年 1 月搭载在“火星极地登陆器”上发射，于同年 12 月抵达火星，但后来失去了联系；第 3 个航天器空间技术－3 卫星（ST－3）用于验证分布式干涉仪技术，目前正整装待发；第 4 个航天器地球观测－1 卫星（EO－1）已于 2000 年 11 月发射，用于验证先进的陆地成像技术。2

1999 年 8 月，NASA 空间科学部决定研制“纳卫星星座开拓者”（NCT），作为新盛世计划的第 5 个航天器 ST－5（简称“开拓者”）。“开拓者”卫星的任务是演示验证研制 NASA 日地关系科学探测器所需的新技术。这是一个低成本的空间计划，经费预计为 2910 万美元。卫星用搭载的方式发射，以降低发射成本。2

项目概况“开拓者”计划将研制、部署和运营 3 颗 20kg级的全功能微卫星。卫星的质量和功耗将比通常的小卫星降低一个数量级，适用于各类空间科学探测任务。“开拓者”将为未来发展纳卫星星座提供新的关键技术，降低建造星座的风险。“开拓者”计划有 3 项具体任务：

（1）设计、研制、总装和运营 20kg 级的全功能卫星，卫星采用多项新技术；

（2）完成 20kg 级卫星的质量评价；

（3）设计、研制和运营多颗卫星，组成星座联合工作。

3 颗卫星均采用自旋稳定，与大中型卫星一样具有推进、导航、姿态控制、指令与数据管理及与地面高速通信（X 频段）等功能。此外，还要实现星座管理，包括 3 颗卫星之间的相对导航、卫星间通信和地面系统自主运营。星载微型化仪器有向量磁强计和能量粒子探测器，用于演示验证未来空间科学测量的平台和应用方案。

“开拓者”将验证星座内卫星之间交换数据的能力，为多颗卫星协同工作，构成“虚拟卫星”积累经验。卫星的总装、测试及生产将采用商业通信卫星的总装、测试技术和小批量生产，以降低生产成本。

3 颗卫星将作为次级有效载荷搭载在同一枚火箭上，送入地球静止转移轨道。然后，卫星用各自的星载微型冷气推力器变轨，进入运行轨道。星上使用的元器件都经过筛选和抗辐射加固，预定在轨工作寿命 3 个月，但都有一倍的寿命余量。为满足工作寿命终止后（成为空间碎片）尽快离轨陨落的要求，转移轨道近地点选择较低的高度。

相关技术“开拓者”卫星将采用一系列新技术。每一项技术都通过公开招标竞争，中标者拥有开发该项技术的知识产权。“开拓者”卫星在工作寿命期间验证这些新技术的性能，用于开发可供继承的技术或产品，以降低在未来任务中使用这些技术或产品的风险。2

（1）锂离子蓄电池

卫星采用由 2 个单体电池组成的锂离子蓄电池，质量约 376g，用于星食期及高峰用电时供电。该电池比传统的Ni Cd或Ni H2电池的功率密度高出 2～3 倍。2

（2）微型 X 频段通信转发器

该转发器用于卫星与地面间通信，下行速率为 750kbit/s，功耗只有目前同类转发器的 1/4，质量和体积比通常的商业现货转发器小一个数量级。

（3）可变发射率热控组件

该组件包含 3 项不同的技术：电致变色、电泳和微机电系统（MEMS）百页窗。电致变色装置由晶体材料构成，当对其施加偏置电压时，该晶体对红外辐射的反射率就发生相应变化，从而可实现对发射率的调控。电泳装置利用液体中的悬浮粒子在弱电场的作用下运动，形成高反射率的表面；MEMS百页窗的设计和功能与传统热控百叶窗的原理一样，只是采用了微机电系统技术实现。这些新颖的热控组件都能随着热环境的变化而改变其发射率。3 颗“开拓者”卫星各采用三种不同热控技术中的一种，进行演示验证。2

（4）CMOS 极低功率容许辐射（CULPRiT）逻辑电路（芯片）

“开拓者”卫星上的 Reed Solomon 编码器采用 CMOS 极低功率容许辐射逻辑技术，以此来测试 1/4V CULPRi T 逻辑电路。该逻辑电路的芯片使用新工艺制造，其功耗只有目前市场上商业现货的 1/20。芯片用下行遥测数据进行长码长 Reed Solomon(223,255)编码，它集成在卫星的指令与数据处理（C&DH）系统。

（5）多功能结构（MFS）

多功能结构将电子部件、柔性电路和搭接片等与结构板直接相连，取消了电缆和电连接器。“开拓者”卫星太阳电池阵的电池串、电源母线与充电控制器间的连接，采用多功能柔性连接技术。该技术可降低卫星的质量与功耗。此外，在任务设计阶段还考虑将多功能结构技术用于卫星的功率分配。2

（6）低功耗微型冷气推力器

微型推力器用于调整卫星自转轴的方向和执行轨道机动。该推力器所需功耗比常规推力器低一个数量级，所以即使它在工作时耗电，也不会影响星上其他仪器的工作。

（7）自主编队飞行与通信仪（AFFCI）

该仪器与 GPS 接收机相结合，完成多项功能，从而保证若干颗分散的卫星形成一个智能化星座，能自主地评价星座状态和控制星座。AFFCI 提供的功能见包括测量卫星间的相对距离、确定轨道、精确授时、星间通信及姿态粗确定等。2

生产情况“开拓者”卫星的研制和生产将充分借鉴商业通信卫星工业的总装、试验技术及小批量生产方式。

“开拓者”01 星将在初样星阶段进行试验，验证设计的完整性和制造工艺。当 01星完成 25%的总装工作量时，就开始生产 02星和 03 星。02 星和 03 星的总装、测试与01 星并行地进行。预计的测试环境由部件供应商根据其实践经验和试验规范具体制定。地面系统中，要综合利用地面测试系统与地面任务操作系统，目的是降低成本、减少接口，保证地面系统与在轨卫星之间的协调，以及地面系统对在轨卫星运行的有力支持。2

主要参数ST-5卫星质量25kg，白旋稳定，外形为八面体，直径53cm，高48cm，功耗24W，质量和功耗都比通常的小卫星降低一个数量级，但具有普通卫星的全部功能。ST-5运行在近地点300km、远地点4500km的椭圆轨道上。1

主要任务ST-5主要验证卫星微型化技术和星座管理技术。在卫星微型化技术方面，ST-5采用的微型X频段转发器的质量和休积比当时的商业现货部件小一个数量级，功耗只有同类X频段转发器的1/4，在上行数据传输速率1kbit/s、下行数据传输速率100kbit/s和200kbit/s条件下的误码率小于10-5；星上锂离子蓄电池质量仅645g；微型冷气推力器用于卫星轨道机动和姿态调整(最大推力2.1N，比冲大于60s)。星载微型化仪器包括向量磁强计和高能粒子探测器，用于演示验证未来空间科学探测的平台和应用方案。在星座管理技术方面，ST-5采用的自主编队飞行与通信仪可测量星间相对距离、确定轨道、精确授时、星间通信以及粗略确定卫星姿态，为实现多颗卫星协同工作，构成“虚拟卫星”进行技术积累；另外，地面系统进行了软件升级，具备高度自主和高效星座管理功能，并加强了轨道预测能力，可使地面站在多约束条件下预报卫星通过的时间和路线。1

评价新盛世计划 ST－5 将验证 NASA 未来许多空间科学任务所需要的系统和技术。建造“开拓者”星座的目的是减少由智能微小卫星构成大星座的研制、生产、部署与运营的风险。“开拓者”卫星同时将演示星座技术，证明多颗卫星可以像单颗大卫星那样在轨道上协调工作。尽管“开拓者”演示验证的重点是满足日地关系科学研究的需求，进行场和粒子的原位测量，但是它所开发的技术完全可应用于地球遥感、行星探测和商业航天工业等其他任务。2