微纳卫星

微纳卫星（NanoSat）通常指质量小于10千克、具有实际使用功能的卫星。随着高新技术的发展和需求的推动，微纳卫星以体积小、功耗低、开发周期短，可编队组网，以更低的成本完成很多复杂的空间任务的优势，在科研、国防和商用等领域发挥着重要作用。^[1]

20世纪80年代末期以来，国际上出现了小卫星研究的热潮。目前小卫星技术已发展至第三阶段，即以微米、纳米技术为基础，依托以提高“功能密度”为核心的系统小型化、轻量化和低功耗等技术，采用全新的设计思想和概念，即更高度的三维集成化、一体化、模块化和功能软件化，把卫星做到100kg左右或100kg以下，形成所谓的微/纳（即微纳）卫星。

微纳卫星技术研究及其组网应用技术是国际卫星技术研究的热点之一，属高新技术探索范畴。微纳卫星主要应用在通信、军事、地质勘探、环境与灾害监测、交通运输、气象服务、科学实验、深空探测等方面。^[2]

微纳卫星技术被视为 21 世纪国家技术与经济发展的制高点。发达国家都十分重视微小型技术在航天领域的应用并制定了相应的发展规划，如智能卵石计划、新千载计划、铱星计划、全球星计划等，这些规划已展现出不错的技术、经济与社会效益。美国还开展了一系列的面向战术应用的微纳卫星项目。

从应用领域来看，除了在通信、遥感、电子侦察等领域获得了较为广泛的应用，目前微纳卫星的应用已经拓展到了导航领域、技术试验领域、空间对抗领域、体系概念创新领域、工程培训领域。在导航领域，美国空军研究实验室（AFRL）与萨瑞卫星技术美国公司（SSTL）签署合同，开展中地球轨道（MEO）导航小卫星概念论证，以提供信号辅助增强，降低系统成本，提高系统的强健性、覆盖范围和精度。

在技术试验领域，随着“立方体卫星”技术和标准逐渐成熟，美国军、民航天部门均制定了大规模的基于“立方体卫星”的空间试验验证计划。在空间对抗领域，近 10 年，美国利用小卫星开展了交会接近、近距离机动、巡视、在轨操作等一系列技术验证试验，形成了一定的空间对抗能力。在体系概念创新领域，美国先后开展了“作战快速响应空间”（ORS）、“提高军事作战效能的空间系统”（See Me）、“未来快速、灵活、自由飞行分离模块航天器”（F6）系统等项目。在工程培训领域，小卫星在航天工程教育和培训以及国际合作中也发挥了重要的作用。

2022年2月，武汉大学披露，由武汉大学研制的“启明星”微纳卫星已经过一系列测试，卫星数据一切正常，2月12日进行星箭组合，2月27日择机发射。^[3]

2023年，中国借助空间站工程，利用天舟系列货运飞船作为平台，成功实现了在空间站发射微纳卫星，可以一定程度上满足卫星较为灵活的发射需求。^[4]

微纳卫星具有体积小、重量轻、功耗低、开发周期短、性价比和功能密度高、隐蔽性好、机动灵活，可编队组网、以更低成本完成很多复杂空间任务的优势。^[5]由于体积小、功耗低，微纳卫星单星性能相对较低。微纳卫星本体的体积、重量和成本大大下降引发出来的弱点是不能携带大的太阳电池帆板以提供大的电功率，也不能承载高增益天线以传输高速率数据。但可利用它靠近目标，近距离采集图像传输给大卫星转发地面或将数据存贮起来直接回收使用。由于微纳卫星体积小、重量轻，易于回收，而且工作时间短，供电问题易解决，利用后一特点在发射运载器时，同步发射一颗或数颗微纳卫星拍摄级间分离图像和战斗部打击敌方的效果，并发射成亚轨道在国内回收再使用。

使微纳卫星快速进入空间的方法研究大约开始于1999年，最初都是在运载火箭上面做文章，通过改进运载火箭接口以及使用二级载荷适配器（ESPA），利用运载火箭的多余推力，将微纳卫星送入轨道。但是这些常规发射方式仍然不能满足微纳卫星迅速增长的进入空间需求，而且发射价格过高，难以承受，因而带动了非常规方法进入空间的研究。

常规发射方式指通过运载火箭及上面级将微纳卫星送入轨道的方式，现在较为成熟；非常规发射方式也称在轨发射方式，即指多个航天器一同搭乘运载火箭进入轨道，并与运载火箭及上面级分离后，在适当的时机由其中一个在空间运行的航天器再次释放，使另一个或另多个航天器进入轨道的方式。目前在轨发射方式有如下几种：^[6]

目前，空间站释放的商业服务由美国纳莱克斯公司（Nano Racks）和空间飞行公司（Spaceflight）以及日本的载人航天系统公司（JAMSS）提供，其需求远超出纳莱克斯公司的预期，并已接近目前“国际空间站”可提供的极限。

从技术角度考虑，空间站释放主要涉及两个方面，一是要有释放策略，二是需要硬件装置。释放策略主要从安全性考虑，包括释放后的微纳卫星对空间站可能产生的碰撞威胁、小卫星间的相互碰撞、对空间站可能造成的通信干扰以及可能产生的空间碎片等问题，因此需要确定释放方向和速度增量，确保微纳卫星的轨道衰减较快，轨道高度一直低于空间站；同时控制微纳卫星的加电时间，保证足够的安全距离，使空间站通信不受影响。空间站释放的硬件装置一般包括微纳卫星安装容器、分离机构和控制电路等几部分，目前，空间站使用的释放硬件有3种：日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）研制的小卫星轨道释放装置（J-SSOD，2012年开始使用）、纳莱克斯公司研制的立方体卫星释放器（NRCSD，2014年开始使用）和美国航空航天局（NASA）约翰逊航天中心JSC）研制的Cyclops释放系统（2014年底首次使用）。^[6]

它利用货运飞船推进系统以及携带的应急燃料，在完成任务的返回途中机动到预期轨道（可进入500km圆轨道），将微纳卫星释放到空间，解决空间站释放寿命短、轨道单一、尺寸受限等问题。

Altius空间机械公司和纳莱克斯公司负责这种 方 式 所 需 的 技 术 开 发，包 括 舱 口 吊 篮 释 放 系统、释放控制器及释放监视数字系统。这个释放系统最多可容纳40颗3U立方体卫星，或者安装1颗60cm×60cm×100cm级的微卫星，释放控制器实现微纳卫星释放、监视的冗余控制，以及与货运飞船的通信联络，接收电源和指令信号等。^[6]

微型母子卫星释放主要在低轨应用，母卫星一般由两部分组成：卫星功能部分和子卫星释放器。各子卫星释放后，可以与母卫星共同完成同一任务，也可以独立完成各自的任务。

美国康奈尔大学的“凯克卫星”（Kick Sat）就是母子卫星共同完成同一任务的例子。这个项目于2011年启动，以大幅降低成本、使空间活动人人可及为目标，历时2年多，完成了芯片子卫星“精灵”（Spirit，核心技术包括芯片卫星、芯片卫星释放装置）和软件定义无线电（SDR）地面站的研制。虽然每颗芯片卫星质量仅为5g，但功能齐全，成本有望低于1000美元，卫星平台均使用芯片级部件，装有科学研究传感器或相机。质量为5.5kg的“凯克卫星”单次可释放多达200颗芯片子卫星，特别适合于大气和空间环境的多点云测量等科学任务。^[6]

商业地球静止轨道（GEO）平台的寄宿卫星发射，指利用通信卫星平台的多余能力，将微小卫星或纳卫星集成到一个商业GEO通信卫星的主平台结构中，在地球同步转移轨道（GTO）的上升段或到达地球静止带之后择机再行释放的方法。2008年，轨道科学公司（OSC，现已更名为轨道-ATK公司）和其GEO商业通信卫星合作伙伴提出利用商业通信卫星任务的高频度和准时发射的特点、为微纳卫星提供低成本进入空间的新颖概念，并利用星-2（Star-2）卫星平台进行此概念及设想的实施研究，通过对星－2卫星平台进行详细设计更改和研究，确保实现从主卫星的天底甲板处释放微小卫星，或者通过在“星”系列平台安装立方体卫星释放装置，完成纳卫星的释放。^[6]

经过短短二十多年的发展，微纳卫星已成为当今航天器研制的主要趋势之一，正对世界科技和经济产生巨大的影响，代表了当今空间技术发展的一种新趋势，受到了世界各国航天界的普遍重视，应用前景看好。随着微纳技术、一体化多功能结构、空间即插即用、集成化综合电子等技术的发展和卫星设计思想的创新，微纳卫星能力不断提升，成为推进概念技术重大创新和探索航天转型发展的前沿阵地。相比大卫星，微纳卫星更加依赖国家的基础工业水平，包括先进的微机械、微电子、材料、工艺等基础技术。为促进微纳卫星的可持续发展，要高度重视技术的创新发展，同时建立创新的机制，营造创新的环境，树立创新的理念。

2023年8月，中国借助空间站工程，以天舟系列货运飞船为平台，成功实现了在空间站发射微纳卫星。^[7]