納米衛星
近年來,由於軍用衛星向大型化、多功能發展,隨之帶來的風險也不斷增加。在軍事領域,由於衛星的功能越來越強,其獨特的優越性已越來越明顯,在偵察、監視、導航、預警和C4I等係統中,軍用衛星起著舉足輕重的作用,已成為各主要軍事強國戰爭體係的有機組成部分。然而現代軍用衛星體積越造越大,功能越造越複雜,隨之也帶來了許多問題。
一是要承受經濟損失的風險。由於體積的增大,重量增加,成本提高,對衛星的發射技術要求高,一旦發射失敗,就會造成難以估量的經濟損失。
二是要承受功能喪失的風險。一方麵,由於功能高度集中;反而增加了衛星的脆弱性,隻要其中某一部件或某一分係統損壞,就會影響整個衛星功能的發揮。另一方麵,隨著各種反衛星武器係統的出現,軍用衛星遭受攻擊的可能性越來越大。功能高度集中的衛星,一旦遭受攻擊,將很可能喪失全部功能。如1981年用高能激光器,使美國一顆軍用衛星中的照相、紅外電子設備完全失效。1997年10月17日,美國也進行了激光打衛星試驗。為此,軍事部門已將目光投向了小型衛星、微型衛星。
納米技術的發展為衛星小型化、微型化提供了技術基礎。
人們在改造自然的進程中,已經從物質的毫米一微米層次進人到分子一原子的納米層次,納米技術也應運而生。納米技術的基本特征是以精確完美的控製和準確入微的離散方式,快速排布分子或原子結構,按照人的意向操縱原子、分子或原子團、分子團,製造出具有特定功能的微型設備,從而使物質加工處理技術提高到前所未有的水平。
將納米技術、新材料技術應用於軍用衛星領域,就可以使機電係統微型化,實現新一代軍用衛星袖珍化。若超導技能取得重大的突破,將進一步推動衛星向小型化、微型化方向發展。
設計思想上的突破,為納米衛星的提出奠定了理論基礎。
一般來說,小衛星重10~500公斤,微型衛星的重量比小衛星低了一個數量級,重100克~10公斤。但無論是小衛星還是微型衛星,其設計思想均未脫離傳統衛星設計“一體式”結構的思路,即自身具有某種完整的實用功能,而在現有的技術條件下,一體式結構的衛星,重量很難進一步減輕。若要使微型衛星進一步減輕重量,需要從設計思想上來一個根本性的變革,用一種前所未有的方法來設計衛星,即采用“分散的星座式”結構。采取這種設計的衛星,重量可以降到100克以下。這也就為納米衛星提供了理論基礎。
因此,美國於1993年首次提出納米衛星的概念。
納米衛星采用MRMS(微型機電一體化係統)中的多重集成技術,利用大規模集成電路的設計思想和製造工藝,不僅把機械部件像電子電路一樣集成起來,而且把傳感器、執行器。微處理器以及其他電學和光學係統都集成於一個極小的幾何空間內,形成機電一體化的、具有特定功能的衛星部件或分係統,使裝置輕小、堅固,可靠性提高,從而出現更多優勢:一是衛星具有可重組性;二是分布式的星座結構,可以大大提高衛星的生存能力;三是納米衛星重量輕,可不使用大型運載工具進行發射,其成本可比一般衛星大大降低;四是分布式的星座結構,可以多次發射;五是納米衛星的研製將不再需要大型的實驗設施和高跨度廠房,而可以在大學、研究所的實驗室裏進行,給研製工作帶來了極大的方便,也降低了研製費用。
納米衛星雖然有非常誘人的前景和優勢,但納米衛星目前還停留在概念階段,要想變成現實,還需解決一些技術問題:
發展納米衛星的第一步,是利用其核心技術一MEMs使現有衛星分係統和部件微型化,研製有較強功能的微型衛星,然後再發展分布式的空間係統結構關鍵技術,最終實現超小型的納米衛星。若在太陽同步軌道的18個等間隔的軌道麵上,各自等間隔地布置36顆功能不同的納米衛星(共648顆),就可保證在任何時刻、對地球上任何一點都能進行連續覆蓋與監視,相當於三顆地球同步觀測衛星的功能。若在太空的不同軌道上設置1000顆具有低功率(一瓦)發射機/接收機的納米衛星,可構成一個相控陣雷達係統,能產生有很強方向性的一千瓦射頻或微波波束。
從目前的發展來看,采用MEMS技術使航天器製導、導航、控製係統小型化的工作已初露端倪。
納米衛星的應用前景非常廣闊,但要真正變成現實還有很長的路要走。