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第34章 课桌上的卫星

精彩的太空表演

太空是航天器的舞台,也是展示科技的大舞台。2012年,欧洲空间局计划在(法属)圭亚那的库鲁航天中心进行一场表演,将11颗来自欧洲各国的卫星送上太空。这次发射的精彩之处有三:一、欧洲空间局第一次一箭11星发射;二、欧洲最先进的运载火箭——“织女星”号第一次执行发射卫星的任务,而且是一次一箭11星的光荣任务;三、11颗卫星中有10颗是大学生研制的立方体纳米卫星。

2010年5月17日,日本H-2A运载火箭搭载8颗卫星和探测器从种子岛航天中心发射,其中3颗卫星、1颗探测器是由日本大学生研发的。日本大学生研发的金星小探测器飞掠金星是为了研究行星际航行对航天器的影响。尽管金星小探测器直径只有30×35厘米,重20千克,电力25瓦,但它成为第一个穿越范·艾伦辐射带、进入日心轨道的学生研发的行星际探测器。2010年5月21日15时43分,金星小探测器远离地球32万千米,学生们最后一次收到它的信号。如果不出意外,金星小探测器预计2010年12月抵达金星。2010年发射成功的127个航天器中,18颗是大学生研制的小卫星,其中有2颗是浙江大学研制的小卫星。从事航天器研究的人员日益年轻化。

纳米卫星集成了微电子和微机械技术、纳米技术等尖端技术。在2010年入轨的127个航天器中,有28颗属于小卫星、微卫星、纤卫星、皮卫星,其中3颗是纯正的皮卫星,15颗属立方体卫星。2010年5月17日,日本发射的鹿儿岛大学研发的“技术卫星”重1.5千克,早稻田大学研发的“卫星-2”重1.2千克,创价大学研发的“技术卫星”重1千克。2010年7月12日,印度发射1箭5星,其中挪威学生研发的“通信卫星”重6千克,印度大学生研发的“试验卫星”重1千克,瑞士学生研发的“技术试验卫星”重1千克。卫星纳米化是未来卫星发展的一个方向。

先进技术不仅仅是学生的专利。美国国家航空航天局和美国国防部、美国空军也参与到小卫星及纤卫星、纳米卫星的行列。纳米卫星的优点是:低成本、大量制造、快速部署,这种强大优势将引发一场卫星革命。

立方体卫星

欧洲空间局1箭11星的发射重量并不重,但任务很光荣、很艰巨。它承载着欧洲多所大学学生的智慧和心血。11颗卫星主要是试验卫星,但大都是科技含量很高的立方体卫星(CubeSat)。

CubeSat是指10厘米立方体,大约1千克重的卫星。1999年开始,美国加州工艺科技大学航空宇宙工程学院教授吉奥迪·普格最先提出立方体卫星的概念、制订了一个立方体卫星标准。立方体卫星也是一个教育计划,目的很明确:学生通过设计、研制立方体卫星,学习、理解、掌握世界先进的空间技术,提高想象力、创造力、动手能力和团队精神。美国斯坦福大学航空宇航学教授鲍伯成为推广立方体卫星计划的先锋。他致力于把重心集中在立方体卫星的教育。斯坦福大学掀起了全世界大学生研发立方体卫星、研究空间科学和发扬探索精神的潮流。

一颗立方体卫星的研制,应该控制在6.5万~8万美元。卫星小,功能不少,比大卫星便宜多了。世界上很多大学、公司和政府组织都愿意研发立方体卫星。据统计,从2003年3月30日,丹麦奥尔堡大学第一颗立方体科研卫星发射,到2008年8月,世界各大学已有超过113颗立方体卫星发射。

立方体卫星分为3个标准:1U立方体卫星为标准型,尺寸为10厘米×10厘米×10厘米,重1千克;2U立方体卫星的尺寸为20厘米×10厘米×10厘米,重2千克;3U立方体卫星的尺寸为30厘米×10厘米×10 厘米,重3千克。

立方体卫星必须价廉物美,对体积和重量的要求苛刻,必定要采用纳米技术的微电子技术和微机械技术。立方体卫星是大卫星的纳米版,也分为保障服务的卫星平台和执行各种任务的有效载荷。绝大多数的立方体卫星因为体积和重量的限制,都将太阳能帆板集成到卫星表面。卫星根据主要任务,装载一种或二种科学仪器,执行一定或特定的任务。

立方体卫星运行轨道一般在250~1000千米的低轨道上。因为立方体卫星几乎不带燃料,设计寿命短的只有几天,长的到几个月,最多的达2~3年。

立方体卫星没有推进系统。卫星靠初始速度,以第一宇宙速度运行。美国伊利诺州立大学的立方体卫星计划使用微型的离子调姿火箭,给卫星装上速度的翅膀。立方体卫星的技术和功能将会越来越接近大卫星。

大部分立方体卫星是科学试验卫星。卫星的种类也仿真大卫星,有通信卫星、地球观察卫星、气象卫星、导航卫星、照相侦察卫星和试验卫星等。

课桌上造卫星

在课桌上能造卫星吗?世界上有很多所理工大学都制订了立方体卫星计划。各大学一般招收理工科三年级学生,4~6人自主组成研发小组。第一学期以教授太空知识、卫星系统工程学基础理论,及卫星系统设计概念为主;第二学期重点是立方体卫星系统的总体设计,各分系统的细部设计。学生们经过系统学习,根据各自的专业,分别设计各分系统,经过协调分析,一颗做梦也想象不到的卫星,从各自的大脑里集合到一张蓝图上。

美国几个学习微电子与微机械的学生,在美国空军研究实验室的资助下,研制了一颗军事卫星。学生们了解掌握了天文学、太空环境学、太空动力学、光学、卫星通信学、卫星应用学、卫星的结构功能和系统原理、纳米知识、卫星设计理论等学科。卫星极小却是多种智慧和多学科交叉的结晶。两年后,一颗世界上最小的纳米级的照相侦察卫星诞生了。这颗立方体卫星仅10厘米见方,净重不超过1千克,但里面满满当当塞满了磁性继电器、微控制器、A/D 转换器、输入输出扩展器、敏感器、数字传输系统和镍电池等。

一颗高科技的卫星在自己的手里诞生,大学生们把立方体卫星称为:会飞的芯片。他们将各个分系统、小部件组装成卫星,经过分系统测试、综合测试、地面测试和太空环境测试,测试优秀后就可进入发射程序。

以成败论英雄

立方体卫星虽然很诱人,但真正能进入太空成为卫星,围绕地球运行的很少。大多数立方体卫星因为设计、制造、功能上的原因变成一堆废品;一部分卫星没能通过各种测试,只能在学校的橱窗和展台上一展风采。只有少数设计先进、品质优良的卫星能登上太空,成为天之骄子。

2006年,美国加州工艺大学、德国维尔茨堡大学、丹麦奥尔堡大学、丹麦技术大学、美国路易斯安那大学、美国康奈尔大学的学生共研制了14颗立方体纳米卫星。中国台湾成功大学研制了3颗“番薯”号卫星。本来“番薯-1”号卫星准备于2006年7月26日搭乘俄罗斯的火箭发射升空,由于政治原因俄罗斯最终没有同意发射。2006年7月26日俄罗斯发射卫星时爆炸,18颗卫星同时罹难。“番薯-1”号却幸运地躲过了一劫,至今放在台湾国立太空技术研究院的展台上。台湾成功大学认为天佑“番薯”。

太空的礼物

大学生们十分欣赏自己的作品,把它作为艺术品送给太空。立方体卫星计划及知识在发达国家及地区已经普及,大学生造卫星已不是头条新闻。美国、欧洲、日本、澳大利亚、德国、印度等国近百所大学的立方体卫星研制都走在了世界的前列。

美国斯坦福大学的一名大学生参加研制了一颗试验通信卫星。他爸爸不相信儿子的能力:“他读的是大学,但只有高中的水平。如果他制造的卫星真能飞上天发射信号,我就送他一套带泳池的小别墅、一辆法拉利跑车,外加一条贵宾犬……当然,女朋友还要自己找。”当听到儿子研制的卫星发射的音乐时,爸爸弹了一下儿子的脑门:好小子,比我强多了!

立方体卫星计划的成功,引得许多中学生摩拳擦掌。据称,英国、澳大利亚、日本、瑞典的中学生的立方体卫星已经完成,等待发射。

2012年,欧洲空间局将发射1箭11星,除了意大利的直径37.6厘米、重400千克的激光重力测地卫星是小卫星外,其他9颗都是立方体卫星, 波兰的1颗太阳帆试验纳米卫星也属于立方体卫星。

欧洲空间局1箭11星的发射重量并不重,但任务很光荣和艰巨。它承载着欧洲多所大学的学生的智慧和心血。卫星发射充满了风险和荣耀。

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