立方体纳卫星大气探测载荷数据采集系统设计实现(2)

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为了实现对大气低热层环境的探测，冯-卡门流体动力学研究所提出了发射50颗立方体纳卫星的QB50计划。QB50计划联合欧洲航天局并且依托高等学校的技术支持，计划完成50颗立方体纳卫星的运动控制和环境探测。轨道上相距几百千米的立方体纳卫星计划实现再入大气层的可控运动。卫星搭载由主办方提供的FIPEX大气探测载荷，完成对大气低热层的多点在轨探测。

南京理工大学参与QB50计划，积极开展航天技术研究，于2015年成功发射第一颗立方体纳卫星“南理工一号”，对国内立方体纳卫星的技术进步起到了积极的推动作用。立方体纳卫星研究团队搭建了以星务计算机为核心的卫星控制平台，根据卫星所处轨道环境设计实现了稳定的结构热控体系，安装体装式的可折叠太阳能电池组保证卫星的能源供应。在实现卫星稳定控制的基础上，卫星搭载了全球船舶标示系统，完成对全球船舶的卫星观测任务，如图1.2所示。

“南理工一号”立方星实物图
卫星接收到的船舶分布图

图1.2 卫星接收到的船舶分布图

2 立方体纳卫星

微纳卫星（NanoSat）通常指质量小于10千克、具有实际使用功能的卫星。随着高新技术的发展和需求的推动，微纳卫星以体积小、功耗低、开发周期短，可编队组网，以更低的成本完成很多复杂的空间任务的优势，在科研、国防和商用等领域发挥着重要作用。微纳卫星是基于微电子技术、微机电技术、微光电技术等微米/纳米技术而发展起来的，体现了航天器微小化的发展趋势。

2.1 立方体纳卫星技术标准

1999年，美国加州理工学院联合斯坦福大学开展微纳卫星的相关研究，提出了立方体纳卫星的概念。为了解决设计过程中的相关问题，制定了立方体纳卫星的设计规范和技术标准，规范了卫星分离机构的设计要求。

2.1.1 卫星平台总体框架

立方体纳卫星平台以星务计算机为控制核心，使用PC104总线连接卫星通信、姿态控制、能源供应、卫星结构、温度控制等分系统。

2.1.2 结构标准

立方体纳卫星采用统一的结构设计标准：

①结构外形切面方向尺寸为(100±0.1)mm;

②一单元立方体纳卫星纵向尺寸为(113.5±0.1)mm;

③三单元立方体纳卫星纵向尺寸为(340.5±0.3)mm;

④卫星质心与形心偏差不超过20mm。

2.1.3 电接口标准

为避免发射过程中对运载火箭及主星的电磁干扰，立方体纳卫星安装机械式触碰开关，保证发射过程中卫星切断电源，进入轨道后打开电源。

2.1.4 入轨操作标准

为保证卫星的正常工作，所有的展开机构需要在卫星入轨30min内展开，并锁定在工作位置。为避免电磁干扰，功率大于1W的卫星通信发射电台需要在卫星进入轨道30min以后才能工作。

2.2 立方体纳卫星的现状及发展

立方体纳卫星平台核心系统包含结构热控系统、星务系统、姿态控制系统、电源系统和通信系统等。

2.2.1 结构热控系统

结构设计和材料选择决定了立方体纳卫星的结构刚度和质量。立方体纳卫星结构材料首选高比强度，高比模量但低密度的铝合金，并且这种材料具有很好的导热性。而一些近来发展的特殊材料因为性能优异逐渐运用在立方体纳卫星上，其中碳纤维增强复合材料就具有高比强度、高比刚度，高温环境中稳定性高等优点。立方体纳卫星结构小巧，可以采用3D打印技术制作，进一步缩短制作周期。2011年，一颗基于此技术的立方体纳卫星PrinSat发射升空，并正常运行。立方体纳卫星运行的轨道环境往往超出了大部分星上设备工作的温度范围。所以对卫星的温度控制是保证卫星正常运行的重要因素。根据不同的作用原理，卫星热控技术可以分为主动热控和被动热控两类。当前立方体纳卫星主要采用被动温控技术。这项技术针对立方体纳卫星小型化特点主要使用导热隔热材料、相变材料以及温度控制涂层将卫星的工作环境维持在一个适宜的温度，并且不会消耗星上能量。而主动热控技术需要使用电加热器、接触式热开关等耗能装置对星上设备进行相应的温度补偿，适用于对温度较为敏感的电子器件，如星上的电池和相机。主动热控系统结构复杂，需要进一步小型化以满足立方体纳卫星的需求。