納米衛星

納米衛星

在航天發展史上，由於受運載能力及技術水平的限制，早期研製的 衛星都採用小衛星方案，其重量只有幾十公斤。70年代末，由於大推力運載火箭的研製成功和設計與製造能力的提高，大型多功能衛星開始出現，衛星體積不斷增大，功能也越來越複雜。隨之而來的是成本不斷攀升，風險逐漸增加。如一枚大力神/半人馬座運載火箭連同所發射的偵察衛星價值可達10.5億美元以上，一旦發射失敗就會造成嚴重的損失。為此，航天界又將目光重新投向了小衛星。

1984年，美國國防高級研究項目局實施了全球低軌道信息中繼（GLOMR）計劃，在一年之內，以不到100萬美元的投入製造了一顆數字式存儲？轉髮型中繼衛星。這顆星重67.5公斤，直徑0.4米，自旋穩定，由美防禦系統公司製造，1985年10月由太空梭上的專用分離罐成功地彈射出去，1986年脫離軌道前完成了所賦予的任務。衛星以1.2千比特/秒的速率進行數據傳輸，發射機最大功率為10瓦，用於接收並傳輸設置在極地冰帽下的水下監視器採集的數據。它的研製和使用標誌著小衛星重新獲得了航天界的重視。

此後，國防高級研究項目局、美國航宇局、美海軍以及一些大學和公司相繼研製了一系列小衛星，如多路通信衛星（MACSAT，美國）、薩里大學星（UOSAT，英國）系列衛星、韓國電信局星（KETSAT）系列衛星、通信、記錄與觀測多功能自主試驗衛星（MAESTRO，美國）、韋伯星（美）、信息包星（PACSAT，美）和盧薩特（LUSAT，阿根廷）等等，掀起了一股研製應用小衛星的熱潮。

由於技術，特別是微電子技術的進步，新一代的小衛星採用了許多小型高性能電子部件，使得它們具有一些大型衛星才有的功能，並為小衛星進一步微型化，進而發展成微型衛星奠定了基矗如新型的數據傳送微型衛星可以採用最新研製的效率為30%的串聯太陽能電池覆蓋整個衛星表面，在陽光直射時可獲得8瓦的功率，從而解決動力問題，進一步減輕質量。如果能將所有的電子器 件都集成在一個直徑0.1米的硅圓片上，則這個圓片可以取代衛星主板而大大減輕質量。採用鎂或複合材料代替鋁，在電子系統中應用高密度組裝技術，可使一顆業餘無線電愛好者微型衛星質量從以前的10公斤減至5公斤，而且功能不受影響。

一般來說，小衛星重約10～500公斤，微型衛星的重量比小衛星低了一個數量級，重約0.1～10公斤。但無論是小衛星還是微型衛星，其設計思想均未脫離傳統衛星設計的巢臼——一體式結構，即自身具有某種完整的實用功能，而在現有的技術條件下，一體式結構的衛星重量很難進一步減輕。若要使微型衛星進一步減輕重量，需要從設計思想上來一個根本性的變革，用一種前所未有的方法來設計衛星，採用分散的星座式結構。基於這種思想，美國宇航公司於1993年在一份研究報告中首次提出了納米衛星的概念。

由於軍用衛星向大型化、多功能發展，隨之帶來的風險也不斷增加。在軍事領域，由於衛星的功能越來越強，其獨特的優越性已越來越明顯，在偵察、監視、導航、預警和C4I等系統中，軍用衛星起著舉足輕重的作用，已成為各主要軍事強國戰爭體系的有機組成部分。然而現代軍用衛星體積越造越大，功能越造越複雜，隨之也帶來了許多問題。

由於體積的增大，重量增加，成本提高，對衛星的發射技術要求高，一旦發射失敗，就會造成難以估量的經濟損失。

一方面，由於功能高度集中；反而增加了衛星的脆弱性，只要其中某一部件或某一分系統損壞，就會影響整個衛星功能的發揮。另一方面，隨著各種反衛星武器系統的出現，軍用衛星 遭受攻擊的可能性越來越大。功能高度集中的衛星，一旦遭受攻擊，將很可能喪失全部功能。如1981年用高能激光器，使美國一顆軍用衛星中的照相、紅外電子設備完全失效。1997年10月17日，美國也進行了激光打衛星試驗。為此，軍事部門已將目光投向了小型衛星、微型衛星。

納米技術的發展為衛星小型化、微型化提供了技術基礎。

人們在改造自然的進程中，已經從物質的毫米一微米層次進入到分子一原子的納米層次，納米技術也應運而生。納米技術的基本特徵是以精確完美的控制和準確入微的離散方式，快速排布分子或原子結構，按照人的意向操縱原子、分子或原子團、分子團，製造出具有特定功能的微型設備，從而使物質加工處理技術提高到前所未有的水平。

從軍事的角度來看，微型衛星作為武器的可愛之處是，敵人可能根本不知道它們就潛伏在本國衛星的身旁，一旦有需要，它就可以根據地面指令對目標衛星發動伏擊。由於重量很輕，微型衛星可以搭乘民用太空發射任務的便車悄悄進入太空。將來，重量和體積都將更小的衛星——重量只有10公斤的“納米衛星”——也可承擔類似的接近和貼靠任務，這些衛星將在距離地球3.2萬公里以上的同步軌道上運行，在同一軌道上，還有許多

商業和民用衛星在運行，地面上的人想發現納米衛星的威脅將非常困難，這種情況使納米衛星如同具有了隱身術，更適合打伏擊戰。研究小型衛星技術的國家不只美國，被美國視為優勢的技術也一樣能被其他國家所用，而人類不可能從地面甄別科研微型衛星和“太空雷”之間的區別，因此，要展開有效的太空戰，發現這種威脅是至關重要的。

美國戰略司令部司令卡特賴特曾在參議院武裝部隊委員會聽證會上稱，航天器小型化發展趨勢，可能會對美國軌道情報偵察行動構成威脅，美國在20世紀下半期研製的裝備無法搜索或跟蹤今日更新、更小型的目標，包括微型衛星，這些小型目標和新型微型衛星在軌道上的出現將威脅到美國載人航天飛行計劃，使敵方突然攻擊美國衛星成為可能，限制了美國的太空設備防護能力。

正因為如此，美國空軍計劃最早在2008年發射一顆名叫“探路者”的衛星。跟其他間諜衛星一樣，“探路者”基本上是一台功能強大的高倍望遠鏡。但是，普通的間諜衛星主要用來掃描地面的物體，而“探路者”則只用來追蹤將太空中的其他物體，以此識別對美國航天器構成危險的太空垃圾或他國衛星。最終，由一批間諜衛星組成的天基空間偵察系統將同“探路者”一起收集情報。

一般來說，小衛星重10～500公斤，微型衛星的重量比小衛星低了一個數量級，重100克～10公斤。但無論是小衛星還是微型衛星，其設計思想均未脫離傳統衛星設計“一體式”結構的 思路，即自身具有某種完整的實用功能，而在現有的技術條件下，一體式結構的衛星，重量很難進一步減輕。若要使微型衛星進一步減輕重量，需要從設計思想上來一個根本性的變革，用一種前所未有的方法來設計衛星，即採用“分散的星座式”結構。採取這種設計的衛星，重量可以降到100克以下。這也就為納米衛星提供了理論基礎。

納米衛星

因此，美國於1993年首次提出納米衛星的概念。

納米衛星採用MEMS（微型機電一體化系統）中的多重集成技術，利用大規模集成電路的設計思想和製造工藝，不僅把機械部件像電子電路一樣集成起來，而且把感測器、執行器、微處理器以及其他電學和光學系統都集成於一個極小的幾何空間內，形成機電一體化的、具有特定功能的衛星部件或分系統，使裝置輕小、堅固，可靠性提高，從而出現更多優勢：一是衛星具有可重組性；二是分 布式的星座結構，可以大大提高衛星的生存能力；三是納米衛星重量輕，可不使用大型運載工具進行發射，其成本可比一般衛星大大降低；四是分散式的星座結構，可以多次發射；五是納米衛星的研製將不再需要大型的實驗設施和高跨度廠房，而可以在大學、研究所的實驗室里進行，給研製工作帶來了極大的方便，也降低了研製費用。

納米衛星雖然有非常誘人的前景和優勢，但納米衛星還停留在概念階段，要想變成現實，還需解決一些技術問題：

發展納米衛星的第一步，是利用其核心技術一MEMs使現有衛星分系統和部件微型化，研製有較強功能的微型衛星，然後再發展分散式的空間系統結構關鍵技術，最終實現超小型的納米衛星。若在太陽同步軌道的18個等間隔的軌道面上，各自等間隔地布置36顆功能不同的納米衛星（共648顆），就可保證在任何時刻、對地球上任何一點都能進行連續覆蓋與監視，相當於三顆地球同步觀測衛星的功能。若在太空的不同軌道上設置1000顆具有低功率（一瓦）發射機/接收機的納米衛星，可構成一個相控陣雷達系統，能產生有很強方向性的一千瓦射頻或微波波束。

從發展來看，採用MEMS技術使航天器制導、導航、控制系統小型化的工作已初露端倪。

納米衛星的應用前景非常廣闊，但要真正變成現實還有很長的路要走。

納米衛星

納衛星（NanoSat）通常指質量小於10公斤、具有實際使用功能的衛星。它是基於微電子技術、微機電技術、微光電技術等微米/納米技術而發展起來的，體現了航天器微小化的發展趨勢。現已經發射的納衛星有：俄羅斯航天研究院的SPUTNIK-2衛星、美國的Bitsy衛星、AUSat衛星、PICOSAT衛星、英國的SNAP-1衛星等。為了降低發射費用，納衛星多採用一箭多星的搭載方式發射。

納衛星技術研究及其組網應用技術是國際衛星技術研究的熱點之一，屬高新技術探索範疇。主要應用在通信、軍事、地質勘探、環境與災害監測、交通運輸、氣象服務、科學實驗、深空探測等方面。

皮衛星/納衛星的系統複雜度比大型衛星低，研發周期較短（約二年），所需研發及發射經費皆遠低於大型衛星，因此，學生的構想具有實現的可能。學生可以大膽使用商用組件，例如一些微小衛星使用商用無線通訊手機模塊，當作衛星通訊組件，從而對商業組件做太空驗證，使以後衛星的組件成本大幅降低。學生也可將自製的組件，放到太空去驗證效能，例如天線及太陽能板的展開機構等，以讓日後其它衛星採用。

皮衛星/納衛星雖小，但卻是非常重要的太空科學實驗平台，可執行特定的太空科學實驗，如衛星編隊飛行、星群的無線電通信、GPS閃光、太陽風、地磁場與電離層中離子密度的測量，以及 衛星的釋放等。例如TU Sat 1衛星可測量太空中電漿密度，並研究纜線(Tether)通過電離層所產生的電動力學；QuakeSat衛星使用磁力計測量高空的超低頻磁場，研究其和地表地震的關聯性等等。此外，皮衛星/納衛星可經濟快速提供新技術空間飛行試驗和演示，特別是用來對將來在太空應用的微機電(MEMS)技術以及使用MEMS技術的感測器或推進系統等技術進行太空驗證。

皮衛星/納衛星一般在低軌道(低於1000km)使用，常採用搭載發射，成本低，因此特別適合稀路由、非實時的低成本通信應用，如電子郵件、傳真、電報、數據等業務。例如TU Sat1衛星就以提供發展中國家的電子郵件通訊為其衛星任務之一；nCube衛星用來接收船隻廣播的AIS訊號，包括船隻的位置、速度及方向的數據，再將此數據轉送到地面，可用來監控船隻的安全狀況。此外，由皮衛星/納衛星組成的衛星星座在靈活應急通信方面也存在極大的潛在優勢。

皮衛星/納衛星可作為光學照相平台。例如日本東京大學XI-IV衛星使用CMOS商業用照相機，拍攝到地球及太陽的影像，由此可驗證CMOS感測器在太空的應用效果。此外，英國薩瑞公司的SNAP-1衛星已經對與其一起發射的另外兩顆衛星進行了拍照，並將圖像傳回到地面，為地面控制人員提供從外部觀測在軌航天器的能力。

皮衛星/納衛星的特點是單顆衛星體積小，功能單一，但多顆衛星組成星座后可以實現並超越1顆大型衛星的功能。同時，由於其發展成本低，並且一次可用火箭發射多顆，所以在星座組網方面具有極大的優勢。因此皮衛星/納衛星常常以星群的形式部署使用，以發揮“螞蟻雄兵”的強勢效果。例如ICE計劃同時發射兩個微小衛星，使二者相距100米以上，以同時測量GPS衛星訊號的差異，研究GPS訊號通過大氣層的訊號閃耀(scintillation)現象。

皮衛星/納衛星在軍事上具有廣泛的應用前景。這種衛星不僅成本低、可以批量生產，還具有可重組性和再生性。例如，在若干太陽同步軌道上等間隔地布置648顆功能不同的納衛星，就可以在任何時刻對地球上任何地點進行連續監視和干擾，即使少數納衛星失靈，也不會使整個系統癱瘓，僅降低一些功能而已。又例如，皮衛星/納衛星可集成和分散。所謂集成就是由幾顆完全相同的皮/納衛星組裝在一個輕便框架上，平時通過每顆衛星的低解析度相機，對相同地區拍照，然後集成為高解析度圖像；所謂分散就是在戰時釋放這些皮/納衛星，讓它們分佈在敵星周圍（繞飛）進行監視、干擾和攻擊。總之，微小衛星由於體積小、隱蔽性好、快速反應、機動性好、生存能力強、成本低等特點，特別適用於局部戰爭和信息戰爭，具有重大的軍事效益。

納米衛星採用MEMS中的多重集成技術，即利用大規模集成電路的設計思想和製造工藝。它不僅把機械部件像電子電路一樣集成起來，而且把感測器、執行器、微處理器以及其它電學和光學系統都集成於一個極小的幾何空間內，形成機電一體化的具有特定功能的衛星部件或分系統。這種由分散趨近集成的設計方法，可以使裝置輕孝堅固，提高可靠性，輕而易舉地實現航天器設計人員夢寐以求的目標，而且可以用同一工藝製作成千上萬個裝置，如同專用集成電路一樣進行批量生產，從而明顯降低納米衛星及其部件的造價。

由於納米衛星重量很輕，可不使用高成本的大型運載工具進行發射，其成本可比一般衛星大大降低。分散式的星座結構可以多次發射，其中某一部分壞了很容易修復和替換，承受大的經濟損失和系統失敗的風險幾乎為零，可靠性增加。從軍事上說，分散布置使系統的生存能力提高。另外，納米衛星的研製將不再需要大型的實驗設施和高跨度廠房，而可以在大學、研究所的實驗室里進行研製，這也降低了它們的研製費用。

但正像任何事物都有其正反兩方面一樣，納米衛星需要由一定數量的衛星形成分散式的星座系統才能實現其功能。這大大增加了系統的複雜程度，為不同功能的納米衛星之間的連接、數據傳輸、功能協調提出了更高的技術要求。根據美國國家偵察辦公室的看法，研製的小衛星的對地觀測解析度還比不上大衛星，且管理由眾多的小衛星組成的衛星網路的花費比管理由少量大衛星組成的網路的花費要大。

納米衛星系統

如前所述，納米衛星的概念是在MEMS技術發展的基礎上提出來的，迄今為止還仍然是紙上談兵。但美國宇航公司納米技術工作組的專家們認為，用已掌握的MEMS技術製造一台在100公里高度上每個像素的解析度為7米（對應400公里高度的解析度為28米）、具有飛行功能的微型相機是可能的。這種相機衛星使用一個2000×2000像素的低雜訊CCD陣列，其組成的探測器陣列面積可縮減至1.2平方厘米，集成到一個圖像處理圓片上，可形成完整的微型光學感測器分系統，既可提供窄角視場覆蓋，又可實現寬角視場覆蓋，重量可小於1公斤。

他們提出，發展納米衛星的第一步是利用其核心技術——MEMS使現有衛星分系統和部件微型化，研製有較強功能的微型衛星，然後再發展分散式的空間系統結構，掌握關鍵技術，最終實現超小型的納米衛星。

從發展來看，採用MEMS技術使航天器制導、導航、控制系統小型化的工作已初露端倪。如美加州大學伯克利分校已研製了一種微型機械式加速度表，還正在研究執行機構。一直致力於研製微型慣性測量組合（MIMU）的德雷珀實驗室正在努力研製在“一塊晶元”上的低成本的慣性測量組合（IMU），即三軸陀螺和三軸加速度表。霍尼韋爾公司已製造出一種微型機械式陀螺，研究重點是研製在晶元上的光纖陀螺。同時，該公司還在研製一種能降低敏感器尺寸的紫外光地球敏感器和星敏感器。噴氣推進實驗室已研製出一種隧道讀出加速度表和紅外探測器，靈敏度極高，體積則比常規同類儀錶減小很多。洛克韋爾公司、衛星通信技術公司也都在根據各自與美國航宇局和陸軍的合同，致力於研究用於制導、導航和控制系統的ASIM。據報道，美國已運用MEMS加工技術研製了三種使衛星通信系統微型化的微結構，即開槽波導、單片矩形波導和大型陣列波導。這三種結構充分利用了晶元表面積，極有可能被美國空軍空間與導彈系統中心（SMC）計劃中的微型衛星系統的設計所採用。

美國還研究了小型喇叭輻射體和反射天線及其陣列，其中一些已利用現有的MEMS工藝製造了樣品，有的研究人員已成功地演示了集成喇叭天線在90、240和802吉赫毫米波的應用。

美國已研製了冷卻液通道寬25微米，深200微米，導熱片厚15微米的微型換熱器，設計能承受的局部熱量大於1千瓦/平方厘米，固定面與工作液體之間的溫差為10～20攝氏度，可用於衛星的溫度控制系統。

主要問題之一就是尚不掌握在半導體基片上製造微型推進系統的技術。正在研究的方案有化學微推力器、小型發電機以及光發動機等等。

納米衛星趣聞：平均每1公斤納米衛星：1。研製費用為8萬---10萬美元。2。發射費用2萬--4萬美元。

納米衛星系統

美國憑藉其雄厚的技術基礎已經走在小衛星發展的最前列。以美國防部高級研究計劃局(DARPA)為首的軍方一直對小衛星的發展寄予厚望，DARPA每年為小衛星發展投資3,500萬美元。美國航宇局(NASA)也十分重視小衛星的發展，先後提出了“小衛星技術創新計劃”和“新盛世計劃”等一系列小衛星發展計劃。

美國哥達德航天中心正在研製一種質量只有10kg的納衛星，擬於2007年發射，用於研究日-地間的相互作用。屆時，將由1枚德爾他-7925火箭同時把100顆這種衛星射入大偏心軌道。這些納衛星將組成“磁層星座”，它們的近地點高度相同，均為12,750km，但遠地點高度卻不同，是從距地球表面312,000km的高度沿一條“線”向外延伸，這樣就可以在不同高度同時測量地球磁層和等離子體的相互作用，這是當前用一二顆大衛星所做不到的。這種衛星的方案之一是製造直徑為30cm、高10cm的圓筒形衛星，每顆衛星製造成本為50萬美元。

從本世紀初美國航宇局(NASA)就開始開發一系列新技術和新產品，如自動操作技術、微型遙感器和結構緊湊的小推力推進系統等，以使衛星實現微型化。另外，劉易斯研究中心在1998年提出了一項資金預算為2100萬美元的5年計劃，重點是開發能在嚴寒、酷熱、腐蝕、強振動和高應力等惡劣環境下工作的微型系統。美國噴氣推進實驗室(JPL)也在與學術界、工業界以及NASA的其他中心合作，每年劃撥400萬美元用於微型機電系統研究。

美國還制定了“大學納衛星”計劃，該項計劃是由美國國防部、NASA及企業界共同發起的，目的是研製併發射10顆“大學納衛星”（重約10kg），以演示驗證微型共性技術、編隊飛行技術和分散式衛星功能等。美國空軍科學研究局（AFOSR）和國防部高級研究計劃局（DARPA）共同出資支持該計劃，由各大學設計並組裝出這10顆“大學納衛星”。各大學將進行具有創新性的低成本空間試驗，並探索納衛星的軍用價值，研究範圍包括增強型通信技術、微型化感測器、姿態控制技術和機動性等。

2000年2月6日，美國用“繞軌皮衛星自動發射器”（OPAL）發射了國防部高級研究計劃局（DARPA）的兩顆皮衛星。該發射器（OPAL）是在此前的2000年1月26日與另外10顆衛星一起發射入軌的。這兩顆皮衛星每顆質量小於230g，尺寸為10.2cm×7.6cm×2.5cm，彼此通過30m長的細繩連接。它們由美國航空航天公司研製，主要用於驗證MEMS技術，並進行兩星之間的通信以及與地面的通信試驗。2月10日，衛星電池電力耗盡，試驗結束。試驗取得的主要成就包括：在軌釋放皮衛星、用空間監視網實現對皮衛星的定位與跟蹤、使皮衛星與地面碟狀天線建立通信聯繫等。這次成功試驗對未來天基防禦技術有重要意義。

隨著小衛星技術的逐漸成熟，美國先後在“天基紅外預警”、“發現者－2”等計劃中引入了大量小衛星，但是具體的部署方案尚在研究中。可見，美國軍方正在以創新的軍事概念，研究各種具有獨特能力的小衛星系統。如分散式衛星系統，用於通信、導航、分散式雷達以及編隊飛行光學干涉測量；用於天基感知的衛星系統，執行視覺和紅外地球成像、多光譜地球成像和地圖繪製、目標探測與跟蹤等任務；預警小衛星系統，用於跟蹤飛行中的洲際彈道導彈和潛射戰略導彈及其彈頭，並引導攔截彈截擊目標；虛擬孔徑小衛星系統，用於在軍事行動中提高感知能力；“後勤”衛星系統，在軌執行補給任務等等。可以預見，在未來的軍事行動中，將會大量應用小衛星系統完成其他軍事系統無法執行的特殊任務。

俄“納米衛星”飛向太空

俄羅斯專家正在研製俄第一顆“納米衛星”，它體積比家用奶粉桶略大，僅重5公斤。這顆人造衛星有望在未來幾年飛赴太空，執行對地觀測任務。

“納米衛星”是對一類特定重量級別衛星的稱呼，以便與微型衛星相區分。“納米衛星”的重量一般在1至10公斤之間，而微型衛星重量為10至100公斤。

據俄羅斯《科學信息》雜誌報道，由俄羅斯航天設備製造科研所製造的這顆衛星，全名為“最低配置技術納米衛星”。它的主要應用領域是遠距離探測地球。這顆衛星上裝有數碼相機，其拍攝視野寬度達290公里，照片解析度可達50米。衛星上的無線電發射器會將照片傳回地面，購買數據的用戶可用小型接收站自行接收。

俄航天設備製造科研所主任研究員瓦列里·維什尼亞科夫說，與此前其他類型的衛星相比，“納米衛星”的優點在於重量輕、設計相對簡單且製造周期短。此外，還能通過現有的“全球星”衛星通信系統直接操控衛星。

科研人員介紹說，儘管這種衛星拍攝的照片解析度不太高，但其製造、發射和管理成本低廉，因此更加大眾化，也能為更多用戶服務。此外，由於可通過衛星上的數據機控制該衛星，因此相對於傳統衛星而言，地面控制人員可更加頻繁地與“納米衛星”聯繫，甚至像“用手機打電話”那樣快捷。

據俄專家透露，他們的試驗型“納米衛星”已於2005年進入太空，並完成了各種測試任務。俄第一顆貨真價實的“納米衛星”很可能在未來一兩年內飛向太空。

據新華社華盛頓2008年4月24日電美國宇航局24日宣布，其下屬的艾姆斯研究中心將與一家企業聯手研製被稱作“納米衛星”的超小型衛星，以打造下一代太空通信和網路系統。

納米衛星”是指重量在11磅到110磅之間（大約5公斤至50公斤之間）的小型衛星。

美國宇航局在新聞公報中說，今後美國宇航局將把很多“納米衛星”發射到低地球軌道，形成一個“衛星星座”。這些“納米衛星”將構建一個基於網際網路及相關服務的“第5代通信和網路系統（5G）”，大幅提高移動通信服務能力。