“麻雀雖小,五臟俱全”!立方星有哪些優勢?

2019年05月05日
隨著微電子、微機械、納米等技術的發展和衛星設計思想的創新,衛星變得越來越小。其中,立方星“脫穎而出”。別看它“小”,實際上“五臟俱全”,與傳統衛星相比也有獨特優勢。今天,我們就一起來聊聊“立方星”。
立方星是什么?
立方星最初是由加州理工大學和斯坦福大學的一個團隊于1998年發起的。當時兩所大學的教授們提出“能否在一個10厘米見方的立方體里面實現衛星的全部功能?”,由此發動了多個團隊研制這樣的衛星,并命名為“CubeSat(立方星)”。同時為了便于不同團隊之間的協同,他們還制定了一套標準,大家都依照同一個標準來做。沒過幾年,這一目標果然實現了。2003年,第一顆立方星發射升空。
所謂“麻雀雖小,五臟俱全”。立方星盡管體積小,但大衛星需要的系統包括星務管理、通信、電源、姿態確定與控制、結構熱控、載荷等,它身上全都有。不同的衛星任務決定了星上載荷的不同,從而對其他分系統的要求也不同,因此,立方星會根據具體的情況進行不同的設計。現在的立方體衛星經過不斷發展,也逐漸由最初的1U(即10cm*10cm*10cm)逐步拓展到2U、3U、6U、12U等。
▲2018年陪伴洞察號火星著陸器的MarCo立方體衛星
立方星有哪些優勢?
與傳統衛星相比,立方星至少在三個方面有明顯不同:一是工業級器件的廣泛應用,二是標準化、批量化的部件生產,三是大幅度簡化系統和流程。
首先,傳統航天任務中,高等級器件占用了至少1/3的成本。在工業領域幾十、幾百元一個的芯片,其宇航級產品往往造價高達十幾萬甚至幾十萬,所以同樣功能的一件設備,航天產品往往比地面民用或軍用產品成本高出一兩個數量級。立方星在最初是基于教學和科研目標提出的,因此衛星的成敗并不是一件很重要的事情,所以在一開始就主要依靠地面工業級器件,同時只追求相對短的在軌壽命。但在實踐過程中,立方星自身技術的發展使得其在軌實際壽命不斷提高,在保持低成本的同時逐步彌補了其壽命短板。
▲立方星最初是基于教學和科研目標提出的
其次,傳統航天任務往往軍民結合,這使得各國的航天系統往往相對封閉。由于單個國家航天任務總量有限,因此各國的航天部組件都長期處于單件生產狀態,研制成本高居不下,同時產品的質量穩定性也受人為因素影響較大。而立方星由于其本源上的教學和科研性質,相對容易地突破了國家界限,在此情況下,一批標準化部件已經實現了全球銷售,總銷售量的上升推動生產商實現了小批量生產。借助于現代工業的批量化生產手段,產品的一致性得以顯著提升,同時成本也進一步下降。
第三,傳統航天產品一般在各層級都有冗余備份,從電路板上的電路備份,到設備中的板卡和??楸阜?,再到系統中的設備備份,層層備份實現了航天器的高可靠性,同時也極大地推高了航天器總成本—不僅在體系上面有備份,在研制流程上,傳統航天也規劃了模樣件、初樣件、正樣件三套產品。應該說,三階段的研制流程在確保最終產品的極高可靠性方面是非常必要的,但毫無疑問這也使得產品成本進一步翻番。立方星技術從一開始就反其道而行之,以“最簡單的就是最可靠的”為核心理念,不僅從系統設計層面放棄一切備份,做最簡系統,還從研制流程層面只做一套產品。通過這兩方面的簡化,在犧牲部分可靠性的情況下,使得衛星成本大幅度降低。
原來的大衛星,無論是國家機構,還是國外的那些商業公司,從他們開始發射第一顆衛星,到他們發射第十顆衛星,其間可能需要20年的時間。但是微小衛星呢,比如中國民營企業天儀研究院可以在3年之內成功發射12顆小衛星,2019年的年計劃發射20顆立方星,這種發展速度是原來完全不敢想象的速度。
來源:知識就是力量公眾號
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