立方星
關(guān)注創(chuàng)建者：車輪前的貓 創(chuàng)建時(shí)間：2020-08-10
立方星的實(shí)例教程
3. 3D打印立方星部署器為空間站在軌釋放微納衛(wèi)星儲(chǔ)備技術(shù)
2020年5月8日，新一代載人飛船試驗(yàn)船返回艙在東風(fēng)著陸場(chǎng)預(yù)定區(qū)域成功著陸，試驗(yàn)船飛行試驗(yàn)任務(wù)取得圓滿成功。新一代載人飛船試驗(yàn)船不僅完成了首次3D打印太空實(shí)驗(yàn)，還搭載了世界首個(gè)基于金屬3D打印技術(shù)的立方星部署器。該部署器由中國(guó)商業(yè)航天公司星眾空間（北京）科技有限公司研制，由鉑力特金屬3D打印技術(shù)制造。
鉑力特制造的金屬3D打印部署器，重量?jī)H為傳統(tǒng)機(jī)械加工產(chǎn)品的一半，加工周期從過(guò)去的幾個(gè)月縮短為一周，大幅度降低了設(shè)計(jì)重量，提高了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。本次飛行充分驗(yàn)證了立方星3D打印新型部署器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、材料性能和空間環(huán)境適應(yīng)性，為“3D打印+航天”的大規(guī)模應(yīng)用和未來(lái)空間站在軌釋放、機(jī)動(dòng)部署微納衛(wèi)星提供了數(shù)據(jù)，儲(chǔ)備了技術(shù)。
這枚名為COSPOD-3D的立方星部署器，既可滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)3U立方星的發(fā)射與部署，也可滿足部分增大版3U立方星的需求，容納其多層展開帆板、大型表貼天線、相機(jī)等外部凸出載荷的應(yīng)用。更重要的是，這一系列產(chǎn)品配有新型多星分配控制器，能夠通過(guò)火箭提供的一路分離信號(hào)驅(qū)動(dòng)多路部署器釋放，實(shí)現(xiàn)一箭百星的部署能力。同樣由星眾空間設(shè)計(jì)研制、鉑力特制造的多星分配控制器，計(jì)劃在未來(lái)幾個(gè)月內(nèi)開展在軌試驗(yàn)。
采用3D打印技術(shù)加工微納衛(wèi)星部組件，在批產(chǎn)化方面的優(yōu)勢(shì)也非常顯著。
展開 另外，“夢(mèng)天”專門配置了微小飛行器在軌釋放機(jī)構(gòu)，它在載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)與機(jī)械臂的配合下，能夠滿足百公斤級(jí)微小飛行器或者多個(gè)規(guī)格立方星的在軌釋放需求，解決微衛(wèi)星和立方星低成本進(jìn)入太空的問題，從而能進(jìn)一步增強(qiáng)空間站的綜合應(yīng)用效益。
具體來(lái)說(shuō)就是，在軌釋放機(jī)構(gòu)以組件形式收納在艙內(nèi)，當(dāng)需要執(zhí)行釋放小衛(wèi)星任務(wù)時(shí)，航天員可以按照立方星的規(guī)格進(jìn)行在軌組裝，然后把立方星或微衛(wèi)星填裝到釋放機(jī)構(gòu)的“包廂”內(nèi)。釋放機(jī)構(gòu)的“包廂”單次最大載客量為36U立方星或百公斤級(jí)微衛(wèi)星（1U的體積是10厘米×10厘米×10厘米）。接著，釋放機(jī)構(gòu)即可搭乘載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)將小衛(wèi)星運(yùn)送至艙外。出艙后，機(jī)械臂抓取釋放機(jī)構(gòu)并調(diào)整釋放機(jī)構(gòu)的姿態(tài)，當(dāng)立方星或微衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)到指定的發(fā)射方向時(shí)，釋放機(jī)構(gòu)就會(huì)像彈弓一樣把小衛(wèi)星依次以規(guī)定的速度彈射出去，讓衛(wèi)星既穩(wěn)當(dāng)又安全地開始太空旅程，實(shí)現(xiàn)在軌“放衛(wèi)星”。
主要面向微重力科學(xué)研究
“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙主要面向微重力科學(xué)研究，上面裝有超冷原子物理實(shí)驗(yàn)柜、高精度時(shí)頻實(shí)驗(yàn)柜、高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜、兩相系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)柜、流體物理實(shí)驗(yàn)柜、燃燒科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜、在線維修裝調(diào)實(shí)驗(yàn)柜等7個(gè)方面的8個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜（其中高精度時(shí)頻實(shí)驗(yàn)柜由2個(gè)艙內(nèi)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜和4臺(tái)艙外設(shè)備組成一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)），支持開展重力掩蓋下的多相流與相變傳熱、基礎(chǔ)燃燒過(guò)程、材料凝固機(jī)理等物質(zhì)本質(zhì)規(guī)律研究以及超冷原子物理等前沿實(shí)驗(yàn)研究等。
超冷原子物理實(shí)驗(yàn)柜主要是利用空間微重力環(huán)境條件，建立具有超低溫、大尺度、高質(zhì)量、適合精密測(cè)量的玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)工作物質(zhì)的開放實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開展前沿基礎(chǔ)物理研究，是世界領(lǐng)先的中國(guó)首個(gè)微重力超冷原子物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
高精度時(shí)頻實(shí)驗(yàn)柜是空間站中最復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)柜。高精度時(shí)頻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)艙內(nèi)不同特性原子鐘組合，將建成世界上在軌運(yùn)行的精度最高的空間時(shí)間頻率系統(tǒng)。
展開 該任務(wù)將使用3顆基于立方星標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)研發(fā)的3U立方星。每顆衛(wèi)星上都將配備冷氣推進(jìn)系統(tǒng)、原子鐘、星間通信系統(tǒng)以及可展開太陽(yáng)能電池板。這3顆衛(wèi)星將被發(fā)射到半長(zhǎng)軸、偏心率、傾角相同的；軌道，并形成一個(gè)衛(wèi)星集群，衛(wèi)星間的相對(duì)距離從最近的100m到最遠(yuǎn)的250km。其中1顆星將被指定為“領(lǐng)航者”，其他2顆星將作為“跟隨者”。“跟隨者”可根據(jù)“領(lǐng)航者”的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)運(yùn)行軌道進(jìn)行修正，以滿足相對(duì)距離約束。另外，地面控制中心可下達(dá)指令從而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星間的角色轉(zhuǎn)換。
利用納米衛(wèi)星進(jìn)行群集和地理定位的空間自主任務(wù)(SAMSON：Space Autonomous Mission for Swarming and Geolocation with Nanosatellites)
地球觀測(cè)應(yīng)用的新趨勢(shì)是使用一套低成本、簡(jiǎn)單和研制時(shí)間短的衛(wèi)星。以12顆立方體衛(wèi)星作為成像節(jié)點(diǎn)的群任務(wù)，此外還提出了集線式微衛(wèi)星來(lái)完成對(duì)地觀測(cè)任務(wù)，稱為分塊成像衛(wèi)星群(FIC：Fractionated Imaging Satellite Cluster)。該建議的最大問題在于成像節(jié)點(diǎn)衛(wèi)星和一顆集線器衛(wèi)星之間使用光通信鏈路來(lái)傳輸大量成像數(shù)據(jù)。
SAMSON將包括三顆基于立方體衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)建造的納米衛(wèi)星。它們從近地軌道進(jìn)行科學(xué)操作，以高空間和時(shí)間分辨率對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)矢量進(jìn)行高精度和高分辨率測(cè)量，以檢查磁場(chǎng)的變化。該任務(wù)有兩個(gè)主要目標(biāo)：
使用基于DSSL erc資助的FADER研究的算法，演示多顆衛(wèi)星的長(zhǎng)期自主集群飛行;
根據(jù)到達(dá)時(shí)差(TDOA：time difference of arrival)和/或到達(dá)頻差(FDOA：frequency difference of arrival)確定輻射電磁地面源的位置。
展開 多衛(wèi)星任務(wù)（MSM）應(yīng)用的增長(zhǎng)源于微衛(wèi)星、納米衛(wèi)星和立方星的日益快速普及，以及批量化、標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)線建立。
長(zhǎng)空所指，有我護(hù)航
微小衛(wèi)星測(cè)控分系統(tǒng)
測(cè)控(Telemetry,Tracking and Control,TT&C)系統(tǒng)是小衛(wèi)星架構(gòu)中一個(gè)不可或缺的分
系統(tǒng)，TT&C提供了遙測(cè)、遙控、測(cè)距、測(cè)速、跟蹤等基本業(yè)務(wù)。測(cè)控系統(tǒng)不僅起著
保障衛(wèi)星正常工作，管理衛(wèi)星狀態(tài)的功能，同時(shí)也是地面站觀察和維護(hù)小衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)
的唯一途徑。
其主要功能如下：
（1）監(jiān)視衛(wèi)星通信平臺(tái)上各個(gè)子系統(tǒng)的性能，并將這些監(jiān)視數(shù)據(jù)發(fā)往地面衛(wèi)星控制
中心，為地面站工作人員分析判斷衛(wèi)星是否運(yùn)行正常提供數(shù)據(jù)參考。
（2）提供地面站跟蹤的信號(hào)源，地面衛(wèi)星測(cè)控中心通過(guò)測(cè)量發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)之
間的相位差，確定地面站與衛(wèi)星之間的距離以及兩者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。
（3）接收地面測(cè)控中心根據(jù)遙測(cè)和跟蹤數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)星上分系統(tǒng)參數(shù)出現(xiàn)偏差或故障發(fā)
送的指令，進(jìn)而調(diào)整衛(wèi)星的在軌運(yùn)行姿態(tài)與運(yùn)行軌跡。
圖1 測(cè)控任務(wù)業(yè)務(wù)流程
目前統(tǒng)一S波段（USB）、擴(kuò)頻等測(cè)控體系常應(yīng)用在大型衛(wèi)星通信系統(tǒng)[26]。
展開 另外，與洞察號(hào)一起前往火星的還有立方體衛(wèi)星（CubeSat）技術(shù)公司的兩顆立方體衛(wèi)星，稱為火星立方星一號(hào)（MarCO），旨在為未來(lái)的任務(wù)提供通信和導(dǎo)航功能，并可能有助于洞察號(hào)的通信，這也是立方體衛(wèi)星技術(shù)公司在深空環(huán)境下首次測(cè)試其立方體衛(wèi)星。
▲地球和月球，5月9日由MarCO立方體衛(wèi)星拍攝，右邊是它的高增益天線，這是它傳回的首張照片。
▲JPL工程師Joel Steinkraus和MarCO立體衛(wèi)星，左邊是折疊起來(lái)的衛(wèi)星，右邊是太陽(yáng)能板完全展開的衛(wèi)星，頂部是高增益天線。
MarCO有助于為NASA提供快速通信能力，可以快速知道探測(cè)器登陸火星后的狀態(tài)信息。 一個(gè)立方體衛(wèi)星的基本單元大約是10厘米（4英寸）的方塊，MarCO的設(shè)計(jì)是一個(gè)六單元的立體衛(wèi)星，尺寸大約是36.6厘米（14.4英寸）乘 24.3厘米（9.5英寸）乘11.8厘米（4.6英寸），大約一個(gè)公文包大小。
▲MarCO提供通信中繼，以便洞察號(hào)著陸火星后，快速告知地球。
在洞察號(hào)進(jìn)行進(jìn)入，下降和著陸（EDL）操作期間，著陸器將在超高頻（UHF）無(wú)線電頻段，將信息傳送到飛越其頭頂?shù)幕鹦强睖y(cè)軌道飛行器（MRO）。MRO隨后會(huì)將洞察號(hào)的EDL信息在X波段傳回地球。MRO不能同時(shí)在UHF波段接收信息，又在X波段發(fā)送信息。
▲兩顆立方體衛(wèi)星火星軌道模擬圖
另外當(dāng)MRO不在洞察號(hào)頭頂上方時(shí)，它們之間就無(wú)法通信，這就會(huì)帶來(lái)延遲。而MarCO的兩顆立方體衛(wèi)星，在UHF波段（僅接收）和X波段（接收和發(fā)射），可為洞察號(hào)提供及時(shí)的中繼信息服務(wù)。
洞察號(hào)火星探測(cè)器成功降落火星地表，也將為人類帶來(lái)更多、更詳盡的火星信息，讓我們更加了解這一最接近地球的兄弟行星！
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多衛(wèi)星任務(wù)（MSM）應(yīng)用的增長(zhǎng)源于微衛(wèi)星、納米衛(wèi)星和立方星的日益快速普及，以及批量化、標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)線建立。
該任務(wù)將使用3顆基于立方星標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)研發(fā)的3U立方星。每顆衛(wèi)星上都將配備冷氣推進(jìn)系統(tǒng)、原子鐘、星間通信系統(tǒng)以及可展開太陽(yáng)能電池板。這3顆衛(wèi)星將被發(fā)射到半長(zhǎng)軸、偏心率、傾角相同的；軌道，并形成一個(gè)衛(wèi)星集群，衛(wèi)星間的相對(duì)距離從最近的100m到最遠(yuǎn)的250km。其中1顆星將被指定為“領(lǐng)航者”，其他2顆星將作為“跟隨者”。“跟隨者”可根據(jù)“領(lǐng)航者”的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)運(yùn)行軌道進(jìn)行修正，以滿足相對(duì)距離約束。
另外，“夢(mèng)天”專門配置了微小飛行器在軌釋放機(jī)構(gòu)，它在載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)與機(jī)械臂的配合下，能夠滿足百公斤級(jí)微小飛行器或者多個(gè)規(guī)格立方星的在軌釋放需求，解決微衛(wèi)星和立方星低成本進(jìn)入太空的問題，從而能進(jìn)一步增強(qiáng)空間站的綜合應(yīng)用效益。
具體來(lái)說(shuō)就是，在軌釋放機(jī)構(gòu)以組件形式收納在艙內(nèi)，當(dāng)需要執(zhí)行釋放小衛(wèi)星任務(wù)時(shí)，航天員可以按照立方星的規(guī)格進(jìn)行在軌組裝，然后把立方星或微衛(wèi)星填裝到釋放機(jī)構(gòu)的“包廂”內(nèi)。
這枚名為COSPOD-3D的立方星部署器，既可滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)3U立方星的發(fā)射與部署，也可滿足部分增大版3U立方星的需求，容納其多層展開帆板、大型表貼天線、相機(jī)等外部凸出載荷的應(yīng)用。更重要的是，這一系列產(chǎn)品配有新型多星分配控制器，能夠通過(guò)火箭提供的一路分離信號(hào)驅(qū)動(dòng)多路部署器釋放，實(shí)現(xiàn)一箭百星的部署能力。
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另外，與洞察號(hào)一起前往火星的還有立方體衛(wèi)星（CubeSat）技術(shù)公司的兩顆立方體衛(wèi)星，稱為火星立方星一號(hào)（MarCO），旨在為未來(lái)的任務(wù)提供通信和導(dǎo)航功能，并可能有助于洞察號(hào)的通信，這也是立方體衛(wèi)星技術(shù)公司在深空環(huán)境下首次測(cè)試其立方體衛(wèi)星。
▲地球和月球，5月9日由MarCO立方體衛(wèi)星拍攝，右邊是它的高增益天線，這是它傳回的首張照片。
點(diǎn)陣胞元結(jié)構(gòu)
點(diǎn)陣胞元結(jié)構(gòu)形式眾多，它們是點(diǎn)陣中的基本單元，常見的點(diǎn)陣胞元結(jié)構(gòu)有立方體，星形，八角形，六邊形，菱形和四面體等。
