微型衛星：可互動的太空機器人

文·圖/李偉

被動式微型衛星

日本名古屋大學新近開發出一種不使用發動機和燃料，可在太空中飛行并編隊工作的微型衛星“MAGNARO”。名古屋大學計劃于今年10月在內之浦宇宙空間觀測站，利用小型固體燃料火箭“埃普西隆6號”發射該衛星，對其有效性進行測試。

衛星分為兩種類型：被動式衛星和主動式衛星。主動式衛星需要借助推進器飛行，即人們通常所說的發動機，其質量和體積都比較大。被動式衛星則不必借助燃料產生動力，只須控制飛行方向和穩定性。因為不必搭載發動機，被動式衛星可在節省出的空間安裝望遠鏡等設備，同時無需擔心燃料耗盡。被動式衛星更容易實現微型化。如果用于控制其穩定性的硬件較輕，那么被動式衛星的重量可以減至100千克以下。

日本“MAGNARO”衛星是典型的被動式微型衛星。其長、寬、高分別為10厘米、10厘米、34厘米，僅重4.4千克。對于如何解決動力問題，名古屋大學的研發團隊沒有透露太多信息。根據日本媒體目前獲得的信息，“MAGNARO”進入太空軌道后將一分為二，變身為兩顆更小的微型衛星。其分離時產生的相互作用力將成為在太空中運行的初始動力。它們可以利用近地軌道上微量空氣分子產生的作用力，自動調節飛行姿態和位置，再借助地球引力實現繞軌飛行。

主動式微型衛星

目前主流的微型衛星是主動式衛星。主動式微型衛星采用微小的推進系統。電推進技術是最高效的，包括使用電弧把固體燃料轉化為高速等離子體的微陰極電弧推進器，用于生成離子的電噴霧系統，可制造高能離子的推進器，以及氣體供給系統。利用電場加速的微型霍爾效應推進器，是理想的推進系統。

新加坡南洋理工大學、新加坡國立大學淡馬錫實驗室聯合本地的多家技術公司，共同研發出一種微型遙感衛星。新科工程公司在該衛星系統開發和制造過程中提供了重要支持。這顆體積相當于小型冰箱、重100千克的衛星，預計將于2025年發射升空。

這顆全新的微型衛星性能優異，可在距離地面250公里的極低地球軌道上運行。它將搭載Aliena公司研發的節能發動機。該發動機是一種體積較小的霍爾效應推進器，能幫助在極低地球軌道上運行的衛星克服稀薄氣體的阻力，避免它偏離軌道或進入大氣層。

研發團隊還開發出一款空氣動力學模型，它能優化微型衛星的設計，并測量電離層的等離子和溫度等數據，以研究近地軌道環境對衛星的影響。

新加坡科技公司為微型衛星研制了一款太空相機。在地面上長度僅0.5米的物體也會被它捕捉到。太空相機采用反光鏡，呈現高清彩色圖像。它可在供應鏈監測，農業、礦業及房地產行業分析等領域發揮作用。

負責領導這個項目的新加坡南洋理工大學衛星研究中心主任林煒森指出，這顆微型衛星最大的優點是具備“太空環保性能”——當它完成任務后，可在穿越大氣層的過程中完全燒毀，不會留下太空碎片。由于地球軌道上出現越來越多的太空碎片，近地軌道上密集運行的衛星正面臨威脅。

美國路易斯安那大學拉斐特分校的研究人員制造了一顆名為 CAPE-3的微型衛星，其直徑不到20厘米，搭載該大學自主設計制造的芯片。進入近地軌道后，CAPE-3圍繞地球快速飛行，能夠將有關太空輻射的數據發送給空間站或飛船中的宇航員。

該項目負責人保羅·達比博士表示：“微型衛星上的探測器將提供液晶顯示讀數，這樣宇航員就可以持續監測他們受到的輻射劑量。”此外，這顆衛星還搭載了微型蓋革計數器，這樣人們就可以判斷其芯片的運算是否準確。

CAPE-3以每小時超過2.7萬公里的速度繞地球飛行。這是路易斯安那大學拉斐特分校參與“微型衛星發射計劃”開發的第3顆衛星，旨在為科學、技術、工程和數學領域的研究人員提供幫助。

美國航空航天局（NASA）系統安全工程師里茲萬·莫錢特表示，研究人員正從該衛星接收數據，以便評估其每一項功能，并確保所有系統都正常運行。

需要標準化設計方案

目前全球各國已經將超過800顆微型衛星送入太空軌道。有些微型衛星由手掌大小的模塊構成，邊長約10厘米，重量僅1千克左右。

科學界需要標準化的微型衛星設計方案，以加快其研發、生產及投入使用的速度，同時降低成本。它必須能夠兼容各種科學儀器，并在必要時保護敏感的零部件免遭高溫和放射線的侵害。

早在2018年3月，IBM公司就展示了一個裝有100萬個晶體管，卻僅有鹽粒般大小的微型計算機。這類設備體積越小，運行所需的能源越少，微型衛星的重量就越輕，其發射所需的成本也就越低。

盡管業界仍然熱衷諸如“獵鷹9號”這樣的大型運載火箭（能夠運載幾百顆衛星），但一些新興公司正在開發微型火箭，例如美國亞利桑那州的Vector Launch公司、得克薩斯州的Firefly Aerospace公司、澳大利亞昆士蘭州的Gilmour Space Technologies公司。微型火箭造價相對低廉，生產速度快。其重量只有幾噸——遠不及重達500噸的“獵鷹9號”運載火箭或733噸的“德爾塔4號”重型運載火箭。微型火箭配有小型簡易發動機（使用固體燃料），一次能夠把幾十顆微型衛星發射到近地軌道，而且可以頻繁發射。

未來的衛星星座

成千上萬顆微型衛星可以作為一個網絡系統來運行。不同于利用一顆衛星來執行一項任務，衛星星座由成千上萬顆衛星組成，具有更廣闊的應用前景。它們搭載的儀器可以同時工作。例如，多顆微型衛星組成編隊，可以分別監測地球大氣中的云、氣溶膠、溫室氣體和其他氣體，并提供氣候和天氣預測模式，以及進行大氣污染評估。

衛星星座可以有多種配置方式，例如在同一軌道上一個接一個編隊，聯合觀測地球表面，未來還可能觀測月球和火星表面。

多個微型衛星網絡可以連接在一起，以增強它們的功能、適應性和反應能力。一些微型衛星配備特殊的設備后，可以用來修理、調整其他衛星。

數千顆微型衛星可以由一顆大型中央衛星搭載，在太空軌道上釋放出來。它們能夠接收和發送信號，可與數量較少、體積較大且具備機動能力，可充當通信或分析中心的大型衛星配合工作。

最終，微型衛星組成的星座可能像神經網絡那樣運行。我們可以充分利用微型衛星的群體屬性，比如自我組織能力、可變形性、自主學習能力和感知大范圍空間的能力——如同波蘭科幻作家斯坦尼斯拉夫·萊姆在《無敵》（The Invincible）一書中設想的那樣——未來的太空中將布滿能夠實現互動的微型機器人。