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6U卫星:正在悄然进行中的技术革命

来源 | 星际航行(ID:human_deep_space)

作者 | 想飞的嘉菲猫


近几年,立方卫星的发展势头很是迅猛,在2014年左右,3U立方体卫星出现大规模发射浪潮,其中表现最突出的是美国“行星试验室”研制的Flock光学卫星群,数量达到上百颗。另外就是Lemur“狐猴”卫星群,目前也已经发射了48颗入轨,该卫星的功能是利用GNSS掩星探测方式研究大气特性参数,并进行AIS海上航船运行的监视。

2015年以后开始出现了6U级别的立方体卫星,下面就是自2015年至今的6U卫星发射情况一览表。

表1:2015年至今全球发射的6U立方体卫星一览表



从表1中可以看出6U级别的卫星重量基本在6~13.5kg之间,随着时间的推移,6U级别的卫星发射数量上升很快。考虑到6U平台这个重量与体积的容纳能力,已经可以执行复杂性高一些的任务,出现了一些令人惊讶的应用功能。这些功能在以往只出现在百公斤以上量级的卫星上。美国在该领域可以说是领跑者,不仅发射的6U卫星数量多,初步开始构成星座(CICERO星座),一些高端的卫星功能也只是美国进行技术探索和实践。其他国家(包括中国)目前仍处于技术试验和摸索的阶段。

以下卫星值得我们进行关注,包括:CICERO卫星星座,MarCO火星通信中继卫星,Landmapper-BC多光谱宽视场遥感卫星,Arkyd 6A红外遥感卫星,HaloSat X射线天文卫星,RainCube Ka波段雷达技术试验卫星,ASTERIA空间望远镜卫星。


1、 CICERO卫星


图1 CICERO 6U立方体卫星效果图

CICERO卫星英文全称:Community Initiative forContinuing Earth Radio Occultation,意译为:地球连续无线电掩星的社群创新。

CICERO根据计划要构成一个地球低轨星座用于GPS或Galileo信号大气掩星探测,以及GNSS信号表面反射探测,系统的总目标是为气象学家提供关键测量数据,数据产品包括高精度的大气压力、温度和湿度数据,电离层中电子分布的3D地图,海洋和冰盖的不同特性,该卫星最基本的功用就是天气预报,气候研究和空间天气监视。

CICERO系统计划要发射24颗地球低轨微小卫星,进行GNSS掩星探测。星座轨道情况如下:初始入轨卫星为500km的圆轨道,最终入轨卫星为750km的圆轨道。轨道倾角开始为72º,后续将添加28º倾角的轨道,星座的轨道设计会针对最多的全球掩星事件机会进行优化。

GeoOptics公司原先将CICERO卫星设计成115kg的微小卫星,使用TriG GNSS-RO载荷搭载在FORMOSAT 7卫星上进行飞行,在随后的发展中,GNSS-RO载荷小型化功效显著,使得卫星可以设计得非常小,变成一颗6U的卫星,建造者变成了Tyvak纳星系统公司。

2 、MarCO A, B (Wall-E, Eva)卫星


图 2 MarCO A, B卫星

全称:Mars Cube One,火星立方一号。是一个双星任务,和Insight火星着陆器一道发射,在“洞察者号”着陆期间,将着陆器获取的数据实时回传地球。因为当“洞察者号”着陆过程中,MRO、MAVEN和 Mars Odyssey等火星轨道飞行器不在合适的位置上,无法为“洞察者号”传输数据。这两颗6U的小卫星别名是Wall-E和Eva。

MarCOA, B卫星由NASA的JPL负责建造。它们安装了两块展开式太阳电池阵,和一个展开式X波段天线和UHF波段天线,UHF链路用于接收Insight的数据,码速率8kbps,X波段链路用于将实时数据回传地球深空网络,码速率也是8kbps。

每个MarCO卫星上安装了一台彩色宽视场工程相机,用于确认高增益天线处于展开状态。宽视场相机拥有138°对角视场,每颗MarCO卫星还带有一个窄视场相机,视场角6.8°,指向UHF天线,两台相机的图像大小均为752×480像元。

两颗MarCO卫星均装有推进装置,内含推进剂储箱,管路、推力器和敏感器,装有4台25mN推力器,使用R236FA氢氟碳气体作为推进剂。

在为“洞察者号”着陆器传输完着陆数据后,两颗小卫星掠过火星轨道,继续在行星际空间飞行,它们还将拜访一颗小行星天体。

3、 RainCube卫星


图 3 RainCube卫星

RainCube卫星是一个技术验证项目,由NASA的JPL负责开发、运行。这是一款微型化Ka波段大气雷达,采用立方星平台研制,它具有低成本,快速转换姿态的能力。

RainCube任务将研发、发射并运营一个35.75GHz频带的雷达,将这个雷达载荷置于6个单位的立方体卫星上。该任务将验证一个全新的架构,验证Ka波段雷达和超紧凑压缩的Ka波段雷达展开天线,完成在轨验证。RainCube任务还将验证雷达载荷在立方卫星平台上实现的可行性,这种新型卫星将有助于实现卫星组网,具有在气候科学及气象预报方面的潜在应用价值。

4 、Landmapper-BC卫星


图 4 Landmapper-BC卫星

Landmapper-BC卫星由Astro Digital(曾用名Aquila Space)公司研发,是一款基于6U立方体平台的遥感卫星,该卫星的开发基于Perseus-O卫星。

这款卫星的特征是宽覆盖,多光谱(红、绿、近红外谱段)成像遥感卫星,像元地面分辨率为22m。

AstroDigital计划发射8颗该型卫星进行全球组网,实现对全球每日更新多光谱影像。该项目的前3颗卫星均发射失败,直到2018年1月份才实现成功发射。

5、 Arkyd 6A卫星


图 5 Arkyd 6A卫星

Arkyd6A卫星是Planetary Resources公司研制的验证性纳卫星,试图在6U平台上安装Arkyd-100载荷,使之成为小行星探测天文卫星。

这一卫星是为Arkyd-100卫星做在轨验证试验,其核心技术是探测富含水分的小行星。其载荷主要包括中波红外成像系统,可以精确测量被观测物体的温度,可以获取与水分相关及含水物质的关键数据,该卫星系统将首先瞄准近地小行星进行应用。

6、 HaloSat卫星


图 6 HaloSat卫星

HaloSat卫星是一颗天文卫星,用于研究热银河光环。

这是一项天文物理科学调查任务,探测银河系中热气体的分布情况并确定它们是否填满了额外的光环,亦或是光环对星系的总体质量没有贡献?它将从星系光环中测量氧气的发射谱线,HaloSat卫星作为专用的设备,设计出一套观测策略实现光环信号的最大化同时将太阳风充电、交换互动与太阳系之间前景最小化。

卫星载荷包括3个XR-100SDD型X射线探测器,这些X射线探测器采用硅基位移探测器。属于商业货架产品,来自Amptek公司,3个备份的探测器装进了SDD、X射线准直镜、防同步罩等电子设备中。任务的基本目标需要两个探测器可以正常工作,最小化的任务目标只需一个探测器正常工作。

卫星由蓝色峡谷技术公司基于其研制的XB1平台进行研制。

7、 ASTERIA卫星


图 7  ASTERIA卫星

ASTERIA卫星全称Arcsecond Space TelescopeEnabling Research in Astrophysics,中文意为:天文物理的角秒级空间望远镜使能研究项目。这是一项技术验证和科学任务,该项目的开发致力于极大提升立方体卫星技术能力并应用于空间天文学探测。该卫星由MIT和NASA的JPL联合设计开发。

ASTERIA是MIT和Draper试验室最早提出的概念:3U立方体卫星ExoplanetSat的延续。ASTERIA项目是在MIT和JPL出资下搞的员工早期培训计划。JPL负责全项目管理,系统工程,姿态确定和控制,飞控软件,飞行器制造总装、测试在轨运营等工作。飞行硬件按计划于2016年开始投产,发射计划于稍后一些开展。

ASTERIA的任务目标是角秒级视线姿态精度控制,同时实现高稳定度焦平面温度控制,这些技术将有助于较高的光度计测量实现。对恒星高精度的光度计测量,这一数据将对研究恒星活动,寻找太阳系外行星,以及其他天体物理现象研究具有重要影响,

ASTERIA是一颗6U立方体卫星,重量12kg。运行于近地轨道上,载荷由一组镜头和遮光板组成,敏感器件为CMOS器件,焦平面上安装了两维度压电陶瓷驱动机构,一套商业动量轮用于粗姿态指向控制,姿态精确指向由星敏感器跟踪目标恒星,并由两维压电陶瓷驱动机构来实现。精确温控通过将载荷与卫星平台进行隔离,被动冷却探测器,并利用加热器实现温度微小范围控制来实现。