天上的黑馬—納衞星_風聞
观察者网用户_244575-2019-02-26 09:49
原創：牧夫天文
擁擠的地球軌道（藝術概念圖）
Credit: Michael Najjar
根據聯合國外太空事務辦公室(UNOOSA，United Nations Office for Outer Space Affairs)的統計，截至2019年1月，約有4978顆衞星在軌，比2018年4月增長了2.68%。
眾所周知，發射衞星的成本十分高昂。但大家可能不知道的是：把1千克的物體送入近地軌道便需要花費至少幾千美元。美國共和黨議員特德•克魯茲(Ted
Cruz)在2018年5月舉辦的人類登陸火星峯會上説：“首位萬億富翁將在太空領域誕生。”但是照這種投資量來看，首位萬億富翁也可能將在太空領域破產。
納衞星簡介
面對如此高昂的成本，人類開始考慮縮小衞星的體積。
1998年，第一顆納衞星升空，這顆衞星由柏林工業大學制造，用於通訊。之後的十五年內，陸陸續續又有70多顆納衞星發射，但直到六年前，納衞星的黃金時代才得以開啓。2013年11月19日，美國的一家名為Orbital Science的公司發射了一枚火箭，將29顆衞星送入近地軌道。之後，該公司及俄羅斯的一家公司又發射了共計65顆衞星。
這94顆衞星中大多是立方星(CubeSat)。此後，得益於日漸成熟的微電子技術，輕型材料的研製以及高功率太陽能電池的出現，越來越多的納衞星被用於各個領域。
立方星是什麼？它和納衞星又有什麼關係？
立方星
Credit: NASA
納衞星(Nano satellite)具體是指質量為1~10千克的衞星，它是小型衞星(Small satellite)的一種，小型衞星又是衞星的一類。（如下圖所示）
衞星分類（衞星類別命名法則類似於長度單位，如微米、納米、皮米、飛米等）
Credit: Wikipedia
立方星是納衞星中比較特殊的一種，它以10 cm × 10 cm × 10 cm的立方體為基本單位，每單位質量不超過1.33千克，且結構按照統一標準設計。這個標準被稱為**“立方星標準”**，由加州理工大學和斯坦福大學於1999年制定。按照標準，相當於n(0.25≤n≤27)個立方星基本單位的衞星就叫做nU立方星。（注：雖説按照這個標準，立方星的質量可能超過10千克，按照嚴格定義不能被稱為納衞星，但是有些立方星的質量並不公開，為了分類的方便，所有的立方星都被歸類在納衞星之下。）
目前在軌的納衞星大約有2300顆。
截至2019年1月已發射的計劃發射、預測發射的納衞星數
Credit:Wikimedia
納衞星VS傳統衞星
ROUND 1 成本
一方面，手機商研發的電子元件技術可以被立方星運用，使其成本顯著降低。另一方面，立方星的設計已經標準化，所以按照標準制造的納衞星就如同批量生產的金屬殼一樣，其生產成本會降低。當然，由於每顆衞星的功能不同，立方星的設計有時也需要定製，以便兼容不同的科學儀器。
多樣化自然會提升成本，但儘管如此，與幾乎“全定製”的傳統衞星相比，它的成本仍然有絕對的優勢：製造併發射立方星的成本在15萬~100萬美元，而同等性能的傳統衞星則是2億~10億美元。
第一回合，納衞星獲勝！
ROUND 2 研發週期
一般而言，中等尺寸(500~1000千克)衞星的研發週期在5~15年，這一階段包括明確市場需求以及送入軌道。那麼，問題就來了。第一，在如此漫長的研發週期裏，市場需求很可能發生變化，最初的方案因此可能會不適用，這也就是我們常説的“計劃趕不上變化”；第二，日新月異的通信技術很可能讓這個十幾年前設計的衞星成為老古董，總是跟不上時代的步伐。
現在再來看看納衞星，從需求判斷到製造再到發射，只需8個月！
第二回合，納衞星完勝！
ROUND 3 業務能力
傳統衞星的能力不必贅述，我們關鍵要看看納衞星能否完成同樣的任務。
近期，來自以色列本·古裏安大學的研究團隊研發了一款牛奶紙盒大小的納衞星，它獲得的圖片的分辨率可以與相同直徑的配置了全片幅凹面鏡系統的望遠鏡相媲美。前段時間發射的“洞察號”火星探測器也藉助了MarCO任務的立方星，這項任務包括兩顆6U的立方星，旨在為太空任務提供中繼通訊站。除此之外，納衞星還被應用於GPS定位，微波信號檢測及各式科學實驗，真是不可小覷。如此看來，納衞星的業務能力絲毫不比常規衞星遜色。
MarCo任務的兩顆立方星
Credit: JPL
第三回合，二者打成了平手。
經過以上三個回合的激烈角逐，我宣佈：獲勝者是——納衞星！
納衞星發展前景
1.長壽命
2019年2月13日，NASA宣佈，在火星上度過將近15個地球年的“機遇號”火星探測器結束了它意義非凡的一生，完成了它的使命。長壽的“機遇號”的表現遠超預期——當初它的主要地表任務只計劃最多維持90天！機遇號的長壽也許是得益於研究人員的認真仔細，但是它仍屬個例。由於宇宙環境惡劣，充斥着高能粒子和粒子輻射，目前衞星的設計壽命通常介於1~15年，延長衞星使用壽命成為研究的方向。
也許，我們可以向神奇的大自然借鑑：受到損傷的蠑螈可以長出新的肢體；斷成幾段的蚯蚓可以從含有“生殖環帶”的那一段再生出一個完整的個體…如果衞星使用自修復材料，能否延長它的壽命呢？美國和日本的研究人員合作，共同開發出一種聚合物，經紫外線照射，不僅能多次自我修復，還可讓完全分離的碎片重新長在一起。美國研究人員研製出一種新材料，不僅能感知組織材料中的損傷，而且能修復它。人類的目標是建造出能完全自我修復的衞星，最終建立起能完全自我修復的太空平台。
2.網絡化
由許多顆衞星組成的衞星網絡稱為**“衞星星座”(Satellite Constellation)**，其中一些衞星上配備設備後可用來修復其他衞星。納衞星星座(Nanosatellite
Constellation)是指由多顆納衞星組成的網絡，它的佈置相對常規衞星來説更加便捷，而且易於更換，從而利於維護整個系統的穩定以及更新換代。同時，納衞星星座的功能十分強大。法國一家名為Kineis的公司計劃使用20顆納衞星構成的衞星星座開展歐洲首項覆蓋全球的物聯網(IoT, Internet of Things)計劃；來自密歇根大學的ChristopherRuf等人計劃使用8顆配備有雙基地雷達接收機的納衞星實現對熱帶氣旋內核處海面風的快速定位；NASA的“午後列車”(A-Train)衞星星座監測着地球大氣中的雲、氣溶膠、温室氣體等，幫助我們進行天氣預報、瞭解氣候變化。
NASA的“午後列車”(A-Train)
Credit:NASA
然而，衞星太小也是有它的侷限性的。太小的衞星由於目前推進技術的限制，無法安裝推進器系統，不能自主調整姿態，屬於被動衞星；另一方面受制於質量和內置電源功率，一些有雄心壯志的大項目還是要仰仗大中型衞星。此外，將精密的科學儀器“塞”到如此小的空間裏也並不容易。所以，大中型衞星，近期你們可以不用擔心“被退休”啦。
參考資料：
[1]維基百科-立方星詞條、微型衞星詞條
[2]www.economist.com/technology-quarterly/2014/06/07/nanosats-are-go
[3]https://www.ecnmag.com/news/2018/12/groundbreaking-nanosatellite-imaging-technology-will-revolutionize-how-we-manage-climate-change
[4]https://phys.org/news/2019-01-nanosatellite-captures-imagery.html
[5]http://www.cas.cn/kxcb/kpwz/201407/t20140714_4156902.shtml
[6]http://www.spacetechasia.com/newspace-company-kineis-to-launch-europes-first-iot-nanosatellite-constellation/
[7]Ocean Altimetry and Wind Applications of a GNSS Nanosatellite Constellation，Randall Rose, Christopher S. Ruf , Haruo Seki，http://swricygnss.space.swri.edu/Papers/OceanWind_CYGNSS.pdf
[8] The CYGNSS nanosatellite constellation hurricane mission, Christopher Ruf,
https://www.researchgate.net/publication/261241338_The_CYGNSS_nanosatellite_constellation_hurricane_mission
[10] https://www.pixalytics.com/satellites-orbiting-earth-2019/
[11] https://alen.space/basic-guide-nanosatellites
[12]微型衞星羣：太空探索新方式，《環球科學》2019 1月號
『天文時刻』 牧夫出品
微信號：astronomycn
“金星日出”藝術模擬圖
影像來源：Bing