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航空航天技术
超大卫星及超小卫星的技术挑战
更新时间：2011-06-27
建造大卫星甚至超大卫星（Megabirds）还是较小卫星哪一种更好是一个永恒争议的话题，因为它与市场需求、火箭能力与价格、发射保险、以及投资风险等一系列不确定的因素综合关联。但是, 有一点是肯定的，就降低卫星制造价格而言，“批量生产”及“平台标准化”是两个最重要解决途径[4] ,而且，超大卫星及超小卫星从市场及技术的未来潜在战略价值来看均有其独特的重要性与挑战性。
虽然，LEO／MEO／GEO／HEO卫星的大小之分可由多种角度予以定义，但较多是从重量入手进行定义，其界面常取1000kg，以上统称为大卫星（Large Satellite），以下统称为小卫星（Small Satellite）。小卫星又可细分为下述六类：500～1000kg的称为小卫星（Smallsat），100 ～500kg的称为更小卫星（Minisat），10～100kg的称为微卫星（Microsat），1～10kg的称为纳卫星（Nanosat），0.1～1kg的称为皮卫星（Picosat），小于0.1kg的称为飞卫星(Femtosat)。
实际的一个超大卫星示例为Alcatel公司宇航部制造的Astra 1K卫星，它是世界上迄今为止最大的通信卫星。其建造目的是为执行欧洲卫星公司（SES）的三项艰巨任务：以前所未有的容量能力替代以前发射的３颗Astra在轨卫星和充当4颗Astra在轨卫星的备份；扩展地理覆盖域，其方法为利用两个波束的频率复用，一个波束覆盖整个欧洲大陆，包括中欧、东欧及独联体CIS，另一个波束覆盖伊比利安半岛，每一波束最多能同时支持24个转发器；使用Ka频段增加SES Astra的回程信道系统(ARCS) 它是继Astra1H卫星后第二颗携带Ka频段有效负荷来开通不对称双向通信的卫星系统，它除了作为Astra1H卫星Ka频段有效负荷的备份外，还扩展了ARCS的覆盖范围，与中、东欧和CIS欧洲部分Ku频段覆盖范围相重叠，而且其上行链路波束带宽可从0～480MHz以40MHz为间隔灵活分配，以适应不断变化的市场需求。Astra 1K卫星使用了目前最大的Apacebus TM 3000B平台，提供最先进的卫星通信技术，功率大、通用性及安全性高、寿命长、指向精度高，可使此卫星在“直播到户”的DTH业务的接收方面比竞争对手胜出一筹，并为基于卫星的多媒体应用业务打开了新的路子。由于强的平台支撑能力及多重频率复用，整个卫星的转发器数高达144个。卫星的重量5250kg；卫星太阳能电池总功率高达20kW，即使卫星使用结束时亦可达13kW；卫星寿命１３至１９年；卫星本体高度7.6m，总的卫星载荷最大重量680kg；110W星上Ku频段行波管总数58个；下行链路能力112个信道；星上射频波导管总数>1000个；星上可容纳装备10个不同天线；卫星发射火箭必须用推力最大的Proton-d-l-e。由这些数据即可理解此类超大卫星的庞大程度与超凡能力。
另一极超小卫星示例为纳卫星。纳卫星基于纳米技术(Nanotechnology)，纳卫星及微纳航天器实际上是由微型器件与纳米器件构成的系统级应用。微型卫星定义为所有卫星系统及子系统都全面体现微型制造技术，并可实现一种实用功能，其重量为小于等于10ｇ，纳卫星是一种其尺寸减小到接近最低限度的微型卫星，其重量为１～10ｇ，其功能有赖于一种分布式星座结构来实现。它是一种以近年来发展起来的微型机电一体化系统（MEMS）和由多个MEMS组成的专用集成微型装置（ASIM）为基础的全新概念卫星，从而其重量可降至10ｇ以下。纳卫星系统对灵活的应急通信、侦察和星座组网方面有其极大的潜在优势。由于其重量轻，可不用高成本运载工具发射，分布式星座结构可多次发射、并易修复替补，可大大降低此系统经济损失和失败风险，其生存能力及可靠性可很高。同时，纳卫星研制毋需大型设施支撑，可分散于大学、研究所实验室中进行，这些均有利于降低研发费用及成本。在具体应用前景方面，美国宇航局NASA的研究报告指出，在太阳同步轨道的18个等间隔的轨道面上各自等间隔地以一定方式分布排列功能不同的36颗纳卫星，共计648颗卫星组成其分布式卫星系统，就能保证在任何时刻覆盖地球上的任意一点。报告还称，1000颗１Ｗ左右的低功率纳卫星设置在不同轨道上可构成一个相控阵雷达系统，能产生有很强方向性的１kW左右的强射频射束。当然，应该指出，纳卫星系统的分布式星座结构增加了系统复杂性，对不同纳卫星间的连接、数据传送及系统功能协调与网络管理等均将面临更高的技术要求与更新的挑战。
虽然，LEO／MEO／GEO／HEO卫星的大小之分可由多种角度予以定义，但较多是从重量入手进行定义，其界面常取1000kg，以上统称为大卫星（Large Satellite），以下统称为小卫星（Small Satellite）。小卫星又可细分为下述六类：500～1000kg的称为小卫星（Smallsat），100 ～500kg的称为更小卫星（Minisat），10～100kg的称为微卫星（Microsat），1～10kg的称为纳卫星（Nanosat），0.1～1kg的称为皮卫星（Picosat），小于0.1kg的称为飞卫星(Femtosat)。
实际的一个超大卫星示例为Alcatel公司宇航部制造的Astra 1K卫星，它是世界上迄今为止最大的通信卫星。其建造目的是为执行欧洲卫星公司（SES）的三项艰巨任务：以前所未有的容量能力替代以前发射的３颗Astra在轨卫星和充当4颗Astra在轨卫星的备份；扩展地理覆盖域，其方法为利用两个波束的频率复用，一个波束覆盖整个欧洲大陆，包括中欧、东欧及独联体CIS，另一个波束覆盖伊比利安半岛，每一波束最多能同时支持24个转发器；使用Ka频段增加SES Astra的回程信道系统(ARCS) 它是继Astra1H卫星后第二颗携带Ka频段有效负荷来开通不对称双向通信的卫星系统，它除了作为Astra1H卫星Ka频段有效负荷的备份外，还扩展了ARCS的覆盖范围，与中、东欧和CIS欧洲部分Ku频段覆盖范围相重叠，而且其上行链路波束带宽可从0～480MHz以40MHz为间隔灵活分配，以适应不断变化的市场需求。Astra 1K卫星使用了目前最大的Apacebus TM 3000B平台，提供最先进的卫星通信技术，功率大、通用性及安全性高、寿命长、指向精度高，可使此卫星在“直播到户”的DTH业务的接收方面比竞争对手胜出一筹，并为基于卫星的多媒体应用业务打开了新的路子。由于强的平台支撑能力及多重频率复用，整个卫星的转发器数高达144个。卫星的重量5250kg；卫星太阳能电池总功率高达20kW，即使卫星使用结束时亦可达13kW；卫星寿命１３至１９年；卫星本体高度7.6m，总的卫星载荷最大重量680kg；110W星上Ku频段行波管总数58个；下行链路能力112个信道；星上射频波导管总数>1000个；星上可容纳装备10个不同天线；卫星发射火箭必须用推力最大的Proton-d-l-e。由这些数据即可理解此类超大卫星的庞大程度与超凡能力。
另一极超小卫星示例为纳卫星。纳卫星基于纳米技术(Nanotechnology)，纳卫星及微纳航天器实际上是由微型器件与纳米器件构成的系统级应用。微型卫星定义为所有卫星系统及子系统都全面体现微型制造技术，并可实现一种实用功能，其重量为小于等于10ｇ，纳卫星是一种其尺寸减小到接近最低限度的微型卫星，其重量为１～10ｇ，其功能有赖于一种分布式星座结构来实现。它是一种以近年来发展起来的微型机电一体化系统（MEMS）和由多个MEMS组成的专用集成微型装置（ASIM）为基础的全新概念卫星，从而其重量可降至10ｇ以下。纳卫星系统对灵活的应急通信、侦察和星座组网方面有其极大的潜在优势。由于其重量轻，可不用高成本运载工具发射，分布式星座结构可多次发射、并易修复替补，可大大降低此系统经济损失和失败风险，其生存能力及可靠性可很高。同时，纳卫星研制毋需大型设施支撑，可分散于大学、研究所实验室中进行，这些均有利于降低研发费用及成本。在具体应用前景方面，美国宇航局NASA的研究报告指出，在太阳同步轨道的18个等间隔的轨道面上各自等间隔地以一定方式分布排列功能不同的36颗纳卫星，共计648颗卫星组成其分布式卫星系统，就能保证在任何时刻覆盖地球上的任意一点。报告还称，1000颗１Ｗ左右的低功率纳卫星设置在不同轨道上可构成一个相控阵雷达系统，能产生有很强方向性的１kW左右的强射频射束。当然，应该指出，纳卫星系统的分布式星座结构增加了系统复杂性，对不同纳卫星间的连接、数据传送及系统功能协调与网络管理等均将面临更高的技术要求与更新的挑战。
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