纳米卫星研发与制造

编者按：纳米卫星，一种可以握在手中的微型卫星，正在以前所未有的速度向太空发射。随着技术发展速度的加快，将纳米卫星送入轨道的成本越来越低，这些卫星可以提供超越太空探索之外的社会价值。未来，纳米卫星将改变空间信息相关的各种行业，从更精确的天气和气候预测到更好地监测（和安全）空中和海上交通，更智能地预测作物产量和商品。每年都有数百颗微型、低成本的卫星进入太空轨道。本文将介绍微型卫星将如何改变我们与周围世界的关系。

什么是纳米卫星

国际空间站目前是地球轨道上最大的卫星，尺寸约为 356 英尺× 240 英尺。

纳米卫星是质量在 1 公斤到 10 公斤之间的小型卫星。 一些纳米卫星只有十立方厘米。 而纳米卫星和许多和大型卫星一样，有天线，传感器和控制系统，对太空探索和监测非常有用。

采用 10×10×10 单位立方结构的纳米卫星被称为立方体卫星（CubeSats）。 单体（1U）立方体卫星质量不超过 1.33 公斤，但可以与其他立方体卫星堆叠成 2U，3U 或 6U 的长方形型号。

仅仅在几年前，无论大小，建造可用卫星的成本至少需要 200 万美元。现在，学生和科学家们可以使用 DIY 套件和现成组件来制作纳米卫星，从而使制造成本下降到数万美元。

发射纳米卫星也比普通卫星发射便宜得多，普通卫星发射可能花费数百万美元。而这些小小的“卫星”可以通过在火箭上进行“搭车”来共同发射，成本因卫星质量，太空距离以及太空任务的或“有效载荷”而不同。

例如，创业公司 Open Cosmos 提供一系列的纳米卫星服务，提供从卫星设计、发射、任务模拟，测试和保险等的一站式服务，价格 630000 美元起，整个过程时间不超过 10 个月。

另一家公司 Spaceflight 提供搭乘火箭的商业定价，可以在数周内预定火箭发射，将 3U 立方体卫星发送到近地轨道（LEO），最低价格 295000 美元。

随着越来越多的纳米卫星被大学、科技公司、政府机构和私人发送到太空，他们将以极低的成本提供全面的地球“覆盖” ，从而导致许多领域的游戏规则被改变。

教育，科研

正如计算机成本的下降已经迅速改变了我们了解世界的方式，环绕地球的小型卫星数量的增长（并将数据发回地球）将改变我们了解宇宙的方式。

配有相机的纳米卫星已经发送了前所未见的图像：例如，俄罗斯宇航员最近向我们展示了世界上第一个宇宙中的全景 360 度视频。

但纳米卫星对教育的价值远远不只是用太空直播替代教科书（或纪录片）。 研究人员也将受益于将实验室项目送入轨道。

开展空间研究对于许多科学目标来说是重要的，这也是国际空间站多年来一直担任低重力研究实验室的部分原因。

• 因为流体在微重力中几乎可以完全结合，例如，纳米卫星实验可以帮助科学家们理解在地球上混合不好的流体。

• 另外，引力可能会降低某些材料的导电性，因此希望创造“超导”合成材料的科学家也可以使用低重力环境来理解分子水平上材料的相互作用。

生物学家已经在使用纳米卫星来了解重力如何影响生物过程：例如，通过美国国家航空航天局的立方体卫星发射计划（CSLI）发送到太空的 SporeSat 项目研究了重力对蕨类繁殖孢子的影响。

天气预报

空间天气，与太阳或宇宙辐射以及大气中的磁场之间的相互作用有关，用传统的卫星进行测量是繁重和昂贵的。

2016 年欧洲地球科学联盟大会报告称纳米卫星是“空间天气研究的一个范例改变”。

目前，美国国家海洋和大气管理局（NOAA）等机构的空间天气信息还不够完善，这限制了他们预测地球上天气的能力。

然而，通过数千个装有传感器的纳米卫星在轨运行，详细的空间天气数据可以用来帮助我们更好地预测热带或非热带风暴中的飓风，洪水和强降水。

为了帮助我们更好的预测天气，美国海洋和大气局与创业公司 Spire 在 2016 签订了一份合同。Spire 运行着十多个“多传感器纳米卫星”收集全球 GPS-RO 天气数据，测量某些大气特性，这些特性对了解暴风雨天气模式至关重要。

空气、海洋监测

NOAA 将 GPS-RO 合同给了 Spire，作为该机构在 10 年内实现“平均航迹和强度误差”降低 50％ 的目标的一部分。 预测风暴的轨迹和强度对减轻未来自然灾害的影响至关重要。

天气预报对海洋和航空安全具有特别重大的影响。随着纳米卫星的提供更好的信息，航空和海洋行业的利益相关者和保险公司将能够围绕飓风和风暴进行更好的风险分析，最终减少负债（和保险费）。

通过减少与天气造成的损失，安全性的提高也将降低运输成本。 纳米卫星还可以帮助减少空中和海上的碰撞事故，因为它们可以直接从大气提供空气或海洋交通的意见。

尤其是海运业，通过自动化，纳米技术将能够监测地球的海洋，以减少海盗风险。

目前，Spire 和其他创业公司正在利用卫星向海事利益相关方提供监测数据。

农业和商品贸易

纳米卫星也将在陆地的商业活动中提供价值。凭借更好的天气和气候情报，环境条件将变得更加可衡量，可预测和数据驱动。

农业将是第一个转型的领域之一。

纳米卫星数据将带来重大升级：关于天气模式和自然灾害的更好的预测数据，将转化为对作物的更准确的预测，最终决定种什么，在什么地方种，如何种，以及什么时候种。

Satellogic 这类创业公司已经在为农业部门提供基于卫星的见解。 Satellogic 的机器就是所谓的“光谱卫星”，从光中拾取信号，从分子水平上了解环境生物的健康状况。

随着对空间天气及其对农业影响的更好的了解，市场观察家还将更好地了解作物和其他商品的全球预期产量，可能为贸易商和分析师提供新的见解。

环境监控和保护

根据“纽约时报”的报道，研究人员长期以来一直警告美国的气候监测能力，包括卫星以及基于空气和地基的测量仪器都不足。

在全球卫星温度记录中，只有少数卫星在任何给定的时间点测量温度。

在大型卫星中的一些还具有“相当大的轨道漂移”，这限制了它们每天同时飞越地球上同一地点的能力，这是准确估计随时间变化的温度的先决条件。

通过数千颗小型卫星追踪大气中更小范围内的变化，科学家们将了解关于气候波动的新数据。 这些信息对于所有与环境保护有关的努力都至关重要，从预测未来的温度变化到确定高风险的栖息地和生物体。

通信

自第一颗人造卫星 Sputnik 于1957年搭载无线电发射机诞生以来，各种规模的卫星一直在我们的全球通信基础设施中发挥作用。我们对卫星通信的依赖（又名“卫星通信”）自指数增长至今：到 1990 年，每 3 个洲际电话中就有 2 个由通信卫星传送。

通信卫星用于中继和放大传输信息的无线电信号。 它们实质上是在地球上不同位置的源发射机和接收机之间建立通信信道。

即使互联网在偏远地区得到改善，卫星仍然是信息共享的关键：大多数新闻机构仍然使用卫星向其分支机构分发文本，音频和视频。

没有卫星，很多欠发达国家的公民将无法获得新闻和其他信息。 即使在今天，我们这个星球上的大片地区仍然缺乏电信基础设施。

技术领域的利益相关者已经在使用纳米卫星来填补互联网覆盖范围。 例如，澳大利亚的 Sky and Space 公司（SAS）计划在 2020 年前为赤道周围的数百万居民（从达尔文到香港）提供卫星覆盖。SAS 的第一步将于 2018 年开始与维珍银河公司合作，发射多达 200 个纳米卫星。

防卫

随着我们对太空（和空间数据）的获取持续加速，既会有风险、也会有机遇。

私人公司正在准备将卫星用于防卫。 纳米卫星可以用来窥探其他国家的卫星，或者收集有关敌方飞船的情报。

此外，纳米卫星将成为黑客或敌对政府的主要目标。 这些攻击者可能试图通过纳米卫星来禁用电信频道，或者通过纳米卫星破坏其他更大卫星的服务，以及许多其他潜在的恶意应用。

考虑到潜在的威胁，洛克希德·马丁公司在 2017 年夏天投资了纳米卫星创业公司 Terran Orbital; Terran 及其子公司 Tyvak Nano-Satellite Systems 使用卫星安全监控数据进行军事/国防情报应用。