作者:王珊 来源:中国科学报 发布时间:2012-11-21 8:34:19
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皮星一号A:一颗“小”卫星的大使命
 
■本报实习生 王珊
 
如果要给地球拍一张清晰的照片,什么工具最好用?
 
“当然是卫星。”相信很多人都会这样回答。但是如果这颗卫星的边长只有15厘米、重量仅为3.5公斤,您认为拍出的效果会好吗?
 
浙江大学微小卫星研究中心研制的中国首颗皮卫星——“皮星一号A”就是这样一颗卫星。两年前,这颗中国最小的卫星搭载“长征二号丁”运载火箭成功发射。如今,它还在为我们拍摄着一张又一张的清晰照片。
 
编队飞行的“候鸟”
 
2000年,浙江大学微小卫星研究中心主任金仲和的研究方向还是微电子机械系统(MEMS)和传感器,主要进行的是微小型传感器和执行器的研究。当时,金仲和参与的一个项目希望把刚刚完成研究的MEMS器件在卫星上进行试用,以推动我国航天器部件的微小型化。然而,当与卫星研制单位交涉后,多家单位纷纷表示拒绝。
 
“大卫星的研发成本非常高,通常在10~20亿元人民币,需要花费至少5年时间,对可靠性要求极高。刚刚研制的器件放到卫星上试用,可能会给卫星带来额外风险,甚至可能使整颗卫星报废,代价会相当惨重。”金仲和对卫星研制单位的拒绝表示理解。
 
也就是在此时,自主研发一颗皮卫星,让MEMS器件搭乘自己的卫星上天试验的想法在金仲和所在的项目组萌生。然而,当时的他们可能并没有想到,这个大胆的想法从产生到最后的成功之间的距离竟是10年。
 
皮卫星是指重量为公斤级的微小卫星。相较大卫星,它具有单颗成本较低,制造和发射周期短等优势,而且可以批量生产。早在10年前,皮卫星就已经开始在通信、地震监测、行星际探测以及新技术的演习验证等多个领域发挥作用.然而,娇小的体积也使得皮卫星的功能受到限制,单颗皮卫星的功能相对于大卫星来说是很弱的。
 
“皮卫星的编队飞行,是目前皮卫星研究者的一个美好愿景。几个甚至数十个皮卫星会被同时运送到太空轨道,我们称之为‘星群’,就像候鸟一样,按照不同的序列组合起来。卫星之间可以实现数据通信,一起把探测到的数据传到地面。”据金仲和介绍,这些皮卫星各自具有不同的功能,相互间可以实现数据的通信和存储备份,“星群”的功能可以变得非常强大,甚至可完成大卫星无法实现的功能,从而和大卫星一起守卫美丽的太空。“在星群中,即使有一颗卫星出现故障,其他的还是可以照常工作”。
 
可靠性是个持久战
 
如果告诉你,皮星一号A的拍摄装置上使用的图像传感器CMOS芯片就是普通手机内置的相机芯片,您会相信吗?其实,皮卫星的整个构造普遍使用的就是和这种芯片一样的商用元器件,而不是大卫星上的精密军工器件。这些器件造价低,灵活度高,并且处理能力比较高,但也正因如此,人们不禁质疑它的可靠性,这么小小的、造价低廉的商用元器件能经受住太空中各种未知的洗礼吗?
 
从开始研究皮卫星以来,金仲和团队就致力于皮卫星的可靠性研究,“可靠性是皮卫星真正走向应用的主要障碍,我们会进行各种实验来验证这些器件的稳定性。其中我们经常做的实验就是‘环境应力’试验,包括模拟的太空环境等等,观察皮卫星的反应,找出薄弱环节,并进行结构和软件的调整,循此反复,尽可能把所有的问题都考虑到”。金仲和告诉记者,如果皮卫星能够克服可靠性的障碍,将会更多地投入到实际应用任务中,“皮星一号A发射前的预期寿命只有3个月,目前已经正常运行两年,但是可靠性保证的系统方法依然尚未形成”。
 
“皮卫星的功耗是非常小的,像皮星一号A正常工作的功耗仅有3.5W,加上体积和重量都很轻,三者决定了微小型化是皮卫星发展的关键技术。”金仲和说,如何在把皮卫星继续做小的同时,使其功能更加强大也是微小卫星研究中心的当务之急,“事实上,10年前关于微电子机械系统所作的研究现在成为了我们继续小型化的巨大优势。”
 
大家一起做皮卫星
 
“卫星设计是一个系统的工程,几乎囊括了所有工科的知识,学生从卫星方案设计开始,完成开发、装配以及相关验证试验,相当于参与了一个简易卫星的完整研制,而里面的每一步都是需要思考和动手操作的。学生由此获得交叉学科的背景,并且在以后的工作中举一反三。这对于学生的益处是很大的。”蒙涛是微小卫星研究中心正在进行的“微型手机卫星CellSat科研项目”项目负责人,她表示,“搞工程时间久了,人的思维就比较局限,只会在专业化和精准上下工夫,创新思维严重受阻,而学生是充满活力的,把学生纳入微小卫星的研究队伍中,也可以为研究增加新的血液和活力。”
 
“CellSat项目在浙大是一个试点。在这之后,我们会在全国范围内开展微小卫星设计大赛,召集各个高校的航天爱好者一起动手设计皮卫星,我们也希望能够与其他高校联合起来,共同促使这些同学建立起自己的小卫星兴趣联盟,让微力量强大起来的同时,也训练学生的多学科综合能力。”金仲和认为,科研应该和人才的培养结合起来,同学通过设计研制属于自己的皮卫星,来达到锻炼自己的目的。
 
“整个皮卫星项目的过程很辛苦,但收获也很大。项目组教会了我怎样与人交流合作,我会时刻告诉自己不要辜负他人的信任;另外,组内分配的工作和研发的工作量是很大的,在这里大家也学会了如何承担和面对压力。”韩柯2006年从一个本科生直接保送博士生开始参与皮卫星的研究,他希望有更多的师弟师妹们能够参加皮卫星设计的项目当中。
 
《中国科学报》 (2012-11-21 第6版 动态)
 
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