李懿德 （1 中北大學(xué)，2 華沙理工大學(xué)）

波蘭在衛(wèi)星領(lǐng)域的發(fā)展相比歐洲幾個(gè)航天大國起步較晚，并且主要以科學(xué)載荷配套和衛(wèi)星應(yīng)用為主。2005年，由華沙理工大學(xué)抓總的“華沙理工大學(xué)衛(wèi)星”（PW-Sat）正式立項(xiàng)，開啟了波蘭自主研制航天器的序幕。隨著2012年波蘭加入歐洲航天局（ESA），2014年成立波蘭航天局，并在2012－2014年間完成了3顆自主研制微小衛(wèi)星的交付發(fā)射，該國的航天工業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展階段。近年來，除了科研院所，波蘭的民營航天企業(yè)也嶄露頭角，并很快成為該國微小衛(wèi)星行業(yè)的中流砥柱。

1 初期國際合作研制微納衛(wèi)星

在波蘭自行研制微小衛(wèi)星初期階段，主要以現(xiàn)有的衛(wèi)星平臺產(chǎn)品為基礎(chǔ)進(jìn)行研制，具有低成本、研制周期短、可靠性高等特點(diǎn)，以空間天文觀測、空間維護(hù)技術(shù)試驗(yàn)等為科學(xué)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)了波蘭自主研制衛(wèi)星零的突破。

“華沙理工大學(xué)衛(wèi)星”系列立方體衛(wèi)星

“華沙理工大學(xué)衛(wèi)星”（PW-Sat）系列立方體衛(wèi)星是由華沙理工大學(xué)（Politechnika Warszawska）學(xué)生自主研制的系列空間維護(hù)技術(shù)試驗(yàn)立方體衛(wèi)星，同時(shí)兼顧教學(xué)目的，目前已研制了“華沙理工大學(xué)衛(wèi)星”、華沙理工大學(xué)衛(wèi)星－2兩個(gè)型號，華沙理工大學(xué)衛(wèi)星－3正在進(jìn)行方案論證，其科學(xué)載荷均為衛(wèi)星壽命末期展開的被動(dòng)離軌裝置。其中,“華沙理工大學(xué)衛(wèi)星”是波蘭的第一顆人造衛(wèi)星，于2012年搭載歐洲航天局“織女星”（Vega）小型固體運(yùn)載火箭首飛發(fā)射入軌。該衛(wèi)星是1U立方體衛(wèi)星，搭載有1m長的可展開柔性太陽電池翼機(jī)構(gòu)，在衛(wèi)星壽命末期展開，測試太陽能電池的供電性能，同時(shí)作為增阻離軌裝置使衛(wèi)星盡快再入大氣層。然而在入軌6個(gè)月后，衛(wèi)星通信系統(tǒng)出現(xiàn)故障與地面失聯(lián)，因此無法發(fā)送展開太陽電池翼的指令，導(dǎo)致任務(wù)失敗。

2013年，華沙理工大學(xué)衛(wèi)星－2立項(xiàng)，主要載荷為尺寸為2m×2m的離軌薄膜帆，同時(shí)還搭載了一臺由學(xué)生自主研發(fā)的太陽敏感器開展在軌測試。衛(wèi)星目前已進(jìn)入正樣研制階段，經(jīng)運(yùn)載方多次推遲，預(yù)計(jì)于2018年第三季度搭載美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的獵鷹－9運(yùn)載火箭發(fā)射至高度為575km的預(yù)定軌道，不排除繼續(xù)推遲的可能性。離軌帆在發(fā)射時(shí)被盤繞折疊并放置在直徑80mm的圓柱形載荷艙內(nèi)，高度不超過70mm，采用無源展開方案，僅由彈簧和彈性桿作為動(dòng)力來源，以降低成本、減小體積、提高可靠性。正常展開后，衛(wèi)星離軌再入的時(shí)間將由20年以上縮短至6～12個(gè)月。

在華沙理工大學(xué)衛(wèi)星－2研制工作推進(jìn)的同時(shí)，華沙理工大學(xué)衛(wèi)星－3的方案設(shè)計(jì)也在持續(xù)進(jìn)行，初步設(shè)計(jì)為3U立方體衛(wèi)星，增加動(dòng)力系統(tǒng)。該星的研制將開展國際合作，目前已確定將與哈爾濱工業(yè)大學(xué)開展聯(lián)合研制。

“明亮目標(biāo)探測器-波蘭”雙星

PW-Sat任務(wù)模擬圖

PW-Sat－2任務(wù)模擬圖

“明亮目標(biāo)探測器-波蘭”（Brite-PL）雙星是波蘭科學(xué)院空間研究中心（Centrum Badań Kosmicznych PAN）和波蘭科學(xué)院哥白尼天文中心（CAMK PAN）于2009年底立項(xiàng)研制的兩顆空間天文觀測衛(wèi)星，耗資超過400萬美元，由“萊姆”（Lem）和“赫維留”（Heweliusz）兩顆衛(wèi)星組成。是加拿大、奧地利、波蘭共同發(fā)起的“明亮目標(biāo)探測器-星座”（BRITE-Constellation）工程中的一部分，共研制6顆衛(wèi)星，以上3個(gè)國家各承擔(dān)兩顆（其中加方一顆衛(wèi)星入軌后失效）。該星座旨在對銀河系中明亮的（星等≤+3.5）大體積恒星進(jìn)行組網(wǎng)觀測，是國際上首個(gè)用于天文學(xué)研究的微小衛(wèi)星任務(wù)，也是首個(gè)天文衛(wèi)星星座。

“萊姆”和“赫維留”由波方與加拿大多倫多大學(xué)航天飛行實(shí)驗(yàn)室（SFL/UTIAS）聯(lián)合研制，采用加方設(shè)計(jì)的“通用微納衛(wèi)星平臺”，基本尺寸20cm×20cm×20cm，可被看作8U立方體衛(wèi)星，外加一個(gè)凸出的磁強(qiáng)計(jì)，采用雙層壁板結(jié)構(gòu)以減小空間輻射環(huán)境對有效載荷的影響，每顆星質(zhì)量7kg，姿態(tài)控制精度≤1°，采用特高頻（UHF）頻段的星載測控天線，數(shù)據(jù)下行鏈路采用S波段，最大速率256kbit/s，平臺電壓4.0V，科學(xué)載荷為一臺3cm口徑的天文望遠(yuǎn)鏡。其中“萊姆”衛(wèi)星的絕大部分元器件和平臺分系統(tǒng)都由加方直接提供，并對波方研制人員進(jìn)行了總裝、測試操作培訓(xùn)，于2013年11月21日由烏克蘭“第聶伯”運(yùn)載火箭發(fā)射至高度800km的近地軌道。在研制“赫維留”衛(wèi)星時(shí)，由于加方元器件庫存不足，主要分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造都由波蘭自行承擔(dān)。2013年8月12日，中國長城工業(yè)集團(tuán)有限公司與波蘭科學(xué)院空間研究中心簽署了“赫維留”小衛(wèi)星搭載發(fā)射服務(wù)合同，于2014年8月19日隨我國高分－2（GF－2）衛(wèi)星用長征－4B（CZ－4B）運(yùn)載火箭發(fā)射入軌，高度640km。

“明亮目標(biāo)探測器-波蘭”衛(wèi)星入軌后對圓規(guī)座α、船尾座ζ、天津四、仙王座β等銀河中的500～800顆恒星進(jìn)行了精確觀測。開展星震學(xué)研究，即通過恒星振蕩特性研究恒星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同時(shí)記錄恒星亮度隨時(shí)間的變化，以監(jiān)測超新星爆發(fā)。其他天體物理研究包括發(fā)光星體的生命周期、恒星內(nèi)部的能量和角動(dòng)量轉(zhuǎn)移、恒星與星周盤的相互作用、密近雙星的潮汐作用、星風(fēng)擴(kuò)散引起的恒星質(zhì)量損失等。

“明亮目標(biāo)探測器-波蘭”衛(wèi)星結(jié)構(gòu)示意圖

2 自主研發(fā)微納衛(wèi)星平臺

近年，波蘭各高新技術(shù)企業(yè)和新成立的商業(yè)航天公司也開始涉足微納衛(wèi)星技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)計(jì)了幾種有創(chuàng)新特點(diǎn)的衛(wèi)星平臺，面向該國軍民用戶，為未來的衛(wèi)星裝備發(fā)展打下了技術(shù)基礎(chǔ)。

“超級衛(wèi)星”模塊化平臺

“超級衛(wèi)星”（Hyper-Sat）模塊化平臺是由位于皮亞塞奇諾的科瑞歐泰克儀器公司（Creotech Instruments S.A.）提出的低成本模塊化開源納衛(wèi)星平臺。其設(shè)計(jì)思路是在現(xiàn)有立方體衛(wèi)星的基礎(chǔ)上通過加大單個(gè)平臺單位的體積，使其裝載更多有效載荷，相比一般微納衛(wèi)星平臺擴(kuò)大應(yīng)用范圍，可用于研制空間科學(xué)衛(wèi)星、光學(xué)/雷達(dá)遙感衛(wèi)星和通信衛(wèi)星的單星或星座。

“超級衛(wèi)星”平臺的單位尺寸為30cm×30cm×10cm，質(zhì)量10kg，其最大構(gòu)型可擴(kuò)展至30cm×30cm×60cm，配套了相應(yīng)有效載荷后總質(zhì)量60kg。平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上預(yù)留了與開源分系統(tǒng)模塊匹配的接口，標(biāo)準(zhǔn)模塊包括電源系統(tǒng)和化學(xué)電池、太陽能電池、通信模塊和天線，以及適用該型平臺的星箭分離機(jī)構(gòu)。其設(shè)計(jì)同時(shí)兼顧了快速響應(yīng)的需要，從衛(wèi)星任務(wù)立項(xiàng)到出廠僅需9個(gè)月，計(jì)劃年產(chǎn)量10顆，對運(yùn)載發(fā)射服務(wù)的合同履行時(shí)限為6個(gè)月。目前，該衛(wèi)星已完成原理樣機(jī)的研制，其首發(fā)星預(yù)計(jì)將于2019年完成發(fā)射。

該公司鼓勵(lì)國內(nèi)外各企業(yè)機(jī)構(gòu)參與開源模塊的設(shè)計(jì)工作，目前的合作伙伴是波蘭科學(xué)院空間研究中心和華沙理工大學(xué)。

科瑞歐泰克儀器公司旨在動(dòng)態(tài)開發(fā)小型衛(wèi)星市場，同時(shí)避免與他國動(dòng)輒數(shù)百萬創(chuàng)投基金資助研發(fā)的大星座競爭。由于其他衛(wèi)星運(yùn)營商主要關(guān)注有效載荷所獲取的數(shù)據(jù)，因此低成本的生產(chǎn)和快速的整合可能對未來的客戶更有吸引力。

波蘭AIS衛(wèi)星

波蘭AIS衛(wèi)星（SAT-AIS-PL）的論證工作始于2014年，以滿足海上交通安全和管理的需要。由歐洲航天局委托下列協(xié)作單位進(jìn)行可行性研究（波蘭工業(yè)獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃下的POL-SAT-AIS項(xiàng)目）：國家通信研究所（項(xiàng)目牽頭單位）、格丁尼亞海事大學(xué)（Akademia Morska w Gdyni）和波蘭科學(xué)院空間研究中心。論證工作得到了歐洲航天局和波蘭國家部委級空間政策小組的高度評價(jià)，決定正式立項(xiàng)，由科研生產(chǎn)聯(lián)合體進(jìn)行領(lǐng)導(dǎo)。從2015年2月開始，工程總體單位轉(zhuǎn)至科瑞歐泰克儀器公司，2016年3月正式進(jìn)入工程研制階段，后期又有協(xié)作單位加入。

Hyper-Sat單位平臺結(jié)構(gòu)

Hyper-Sat光學(xué)遙感衛(wèi)星構(gòu)型

波蘭AIS衛(wèi)星

AIS系統(tǒng)的主要用戶為海事辦公室、波蘭軍隊(duì)、邊防部隊(duì)、海上搜救服務(wù)機(jī)構(gòu)、情報(bào)機(jī)構(gòu)和歐洲海事安全局。從船舶到地面站的數(shù)據(jù)傳輸將采用新的甚高頻（VHF）數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)進(jìn)行升級，將在未來幾年由國際電信聯(lián)盟引進(jìn)。波蘭AIS衛(wèi)星將成為該國第一顆提供實(shí)際服務(wù)的應(yīng)用衛(wèi)星，整個(gè)系統(tǒng)包括一顆質(zhì)量約為40kg的微納衛(wèi)星（含兩塊太陽電池翼），星上搭載一臺AIS接收器，一個(gè)甚高頻數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)模塊，一個(gè)星地鏈路模塊，以及一個(gè)用于業(yè)余無線電活動(dòng)的附加模塊。其中星地鏈路模塊可實(shí)現(xiàn)地面和衛(wèi)星之間的即時(shí)數(shù)據(jù)交換，這在海上出現(xiàn)緊急情況時(shí)至關(guān)重要。該解決方案還有望縮短數(shù)據(jù)檢測與地面站接收之間的時(shí)間差。地面設(shè)施包含一個(gè)測控站，一個(gè)衛(wèi)星指揮和控制中心，以及一個(gè)面向最終用戶的AIS數(shù)據(jù)中心，所有地面設(shè)施都將設(shè)立在波蘭境內(nèi)。衛(wèi)星交付運(yùn)行后，將收集和提供廣泛的數(shù)據(jù)，包括有關(guān)船只位置、路線、交通和潛在危險(xiǎn)情況的信息。

完成整個(gè)工程預(yù)計(jì)需要7年時(shí)間，研制進(jìn)度安排如下：2016－2017年完成工程任務(wù)規(guī)劃，即各大系統(tǒng)之間的體系構(gòu)建；2018－2020年完成衛(wèi)星系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，總裝測試和發(fā)射；2020－2022年完成為期數(shù)年的在軌運(yùn)行段，其中包括衛(wèi)星壽命末期的離軌操作。

“斯韋托維德”3D打印立方體衛(wèi)星

“斯韋托維德”（Svetovid）衛(wèi)星是由弗羅茲瓦夫的新興商業(yè)航天公司衛(wèi)星革命公司（SatRevolution）研發(fā)的2U立方體衛(wèi)星，該公司成立于2016年7月。

該衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)件由鋁-鎂-鈧合金（Scalmalloy）粉末3D打印而成，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，可承受－150°C～300°C的溫度變化，這種材料也被空客公司（AIRBUS）用于飛機(jī)的制造中。同時(shí)，其獨(dú)特的外形設(shè)計(jì)使其能更好地適應(yīng)皮衛(wèi)星軌道適配器的導(dǎo)軌。

“斯韋托維德”衛(wèi)星是一顆科學(xué)衛(wèi)星，它的主要任務(wù)是研究地球磁場的強(qiáng)度、變化以及熱層中的重力，氣象變化等。其次，搭載的光學(xué)遙感設(shè)備所獲取的圖像可用于氣象學(xué)、海洋學(xué)、地質(zhì)學(xué)和測繪學(xué)研究，對林業(yè)和農(nóng)業(yè)也有潛在的輔助作用，也用于地區(qū)的國土資源開發(fā)規(guī)劃，災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估和氣候變化、環(huán)境監(jiān)測等。另外，衛(wèi)星將對地球上不同經(jīng)緯度的重力場進(jìn)行探測，記錄隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以用來研究板塊的構(gòu)造、運(yùn)動(dòng)，并監(jiān)測可能存在的威脅。

“斯韋托維德”計(jì)劃2018年第一季度由美國軌道系統(tǒng)公司（Interorbital Systems）的海王星－N3（Neptune－N3）火箭從太平洋的一個(gè)海上浮動(dòng)平臺發(fā)射入軌，預(yù)計(jì)軌道高度310km，同時(shí)搭載兩顆質(zhì)量為0.3kg的伴飛手機(jī)衛(wèi)星“水澤仙女”（Rusalka PhoneSat），其設(shè)計(jì)基于安卓（Android）系統(tǒng)，使用的所有的元器件都來自普通手機(jī)，衛(wèi)星革命公司將驗(yàn)證該解決方案的在軌工作狀況。

“斯韋托維德”衛(wèi)星模擬圖

3 發(fā)展微納衛(wèi)星星箭分離機(jī)構(gòu)

在研制微小衛(wèi)星的同時(shí)，波蘭也開展了星箭分離機(jī)構(gòu)的國產(chǎn)化工作，并形成了有自身特點(diǎn)的產(chǎn)品，其中比較有代表性的是在研制“明亮目標(biāo)探測器-波蘭”任務(wù)中的“赫維留”衛(wèi)星時(shí)配套的“龍”（Dragon）分離機(jī)構(gòu)。

由于“明亮目標(biāo)探測器-星座”的所有衛(wèi)星都使用了加拿大多倫多大學(xué)航天飛行實(shí)驗(yàn)室研制的“通用微納衛(wèi)星平臺”，因此在首發(fā)星“萊姆”中，直接采用了該實(shí)驗(yàn)室原配的“試驗(yàn)分離機(jī)構(gòu)”。在“赫維留”衛(wèi)星交付發(fā)射前，研制方波蘭科學(xué)院空間研究中心決定自行研制適配該8U立方體衛(wèi)星的星箭分離機(jī)構(gòu)，于是聯(lián)合專門從事宇航空間機(jī)構(gòu)研發(fā)的華沙阿斯卓尼卡公司（Astronika），僅用了2個(gè)月的時(shí)間，就完成了方案設(shè)計(jì)到正樣產(chǎn)品試驗(yàn)、交付的整個(gè)研制周期，填補(bǔ)了該領(lǐng)域在波蘭市場上的空白。

“龍”分離機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)由鍍鎳7075鋁合金制成，外形尺寸282mm×320mm×287mm，總質(zhì)量7.2kg。由四周壁板固定在薄底板上，另加三套機(jī)械裝置：帶分離彈簧的衛(wèi)星推板平臺、艙門與門閂裝置、鎖緊釋放機(jī)構(gòu)。其中，分離彈簧采用錐形設(shè)計(jì)，以減小壓縮后的高度，控制整個(gè)機(jī)構(gòu)的體積，根據(jù)7kg的衛(wèi)星質(zhì)量，設(shè)計(jì)初始回復(fù)力83N。為避免衛(wèi)星分離運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦損壞，推板平臺上安裝了兩組滑輪，并在對應(yīng)的主結(jié)構(gòu)壁板上預(yù)制兩條溝槽導(dǎo)軌，執(zhí)行分離動(dòng)作時(shí)，推板平臺沿導(dǎo)軌向前運(yùn)動(dòng)，衛(wèi)星主體不與分離機(jī)構(gòu)發(fā)生滑動(dòng)摩擦，提高了分離安全性。在壓緊狀態(tài)時(shí)，推板平臺底部的4個(gè)錐形結(jié)構(gòu)插入底板上的預(yù)制孔中，傳遞所有力學(xué)載荷。

鎖緊釋放機(jī)構(gòu)采用波蘭科學(xué)院空間研究中心成熟的迪尼瑪線（Dyneema String）熔斷方案，該方案已在歐洲航天局“羅塞塔”（Rosetta）彗星探測任務(wù)中得到充分驗(yàn)證，成功應(yīng)用于“菲萊”（Philae）著陸器的地表及地下多功能傳感器上。在“龍”分離機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，為了使用功率盡可能小的電阻熱源，因此選取了0.5mm的迪尼瑪線。

艙門關(guān)閉狀態(tài)

開啟后由“銷-孔”機(jī)構(gòu)鎖定

整個(gè)機(jī)構(gòu)的工作原理如下：衛(wèi)星裝入“龍”分離機(jī)構(gòu)后，由鎖緊桿和迪尼瑪線完成艙門的壓緊，運(yùn)載火箭發(fā)出分離指令，電阻加熱器升溫使迪尼瑪線熔斷，艙門在扭簧的作用下快速開啟，當(dāng)兩塊門板轉(zhuǎn)動(dòng)到110°后由“銷-孔”俘獲機(jī)構(gòu)鎖定，衛(wèi)星在彈簧和推板的作用下沿導(dǎo)軌彈出。

經(jīng)分離試驗(yàn)，衛(wèi)星分離速度為1.2m/s，滿足運(yùn)載方提出的不大于1.5m/s的要求。

4 總結(jié)

可以看出，波蘭小衛(wèi)星在國際上雖然是后起之秀、起步較晚，但起點(diǎn)高，這一點(diǎn)得益于其多年來參與歐洲航天局重大工程型號研制所積累的經(jīng)驗(yàn)，加上商業(yè)航天的熱潮，也起到了推波助瀾的作用。對我國而言，這也是一個(gè)較好的機(jī)遇，依托重大科技專項(xiàng)以及“長征”系列運(yùn)載火箭的高密度發(fā)射，以搭載服務(wù)、聯(lián)合研制等形式開展國際合作，有助于我國航天產(chǎn)品“走出去”，推動(dòng)兩國科技交流，助力一帶一路建設(shè)。