参考文献 34

附 录 37

1 绪论

1.1 研究背景及意义

近年来，随着科学技术的不断发展，人类逐渐意识到立方体卫星具有很多大卫星所无法 比拟的优点，从而导致立方体卫星技术得到迅猛发展。立方体卫星（Cubesat）是一种体积和 形状标准化的微纳卫星[1]，由于其体积小、集成度高、研制周期短等优点，可以实现单次发 射多颗立方体卫星到目标轨道，从而把复杂任务分解为多个单一任务，降低任务所面临的风 险；此外，由于立方体卫星质量轻、成本低，从而降低了卫星的研制门槛，使部分高校也能 够参与研制。全球在 2014 年发射的 238 个航天器中，立方体卫星就有 85 颗之多[2]。立方体

卫星还入选了美国《科学》杂志 2014 年十大科学突破，随着相关研究的进行，其必将在未来 发挥更为重要的作用。由于立方体卫星所能够发挥的作用仍然有限，并且单颗立方体卫星的 寿命一般在 1 年以内，为了保证空间任务的可持续性，对立方体卫星的发射次数也提出了更 高的要求。目前所发射的立方体卫星，其轨道高度一般在 400km 以上，在该轨道高度下，立 方体卫星失效后需要花费数年甚至数十年才能够脱离轨道进入大气层烧毁。失效后的立方星， 由于其没有任何轨道机动能力，逐渐变成空间碎片。随着空间碎片数量的不断积累，碰撞的 风险也不断增加，碰撞产生的碎片又会继续与其它空间物体碰撞产生新的碎片，如果不及时 采取措施，这种潜在的多米诺效应将导致空间环境持续恶化。目前，一些在轨航天器已经受 到空间碎片的威胁，最明显的例子是 2009 年一颗废弃的苏联宇宙-2251（Kosmos-2251）卫星 与美国的铱-33（Iridium-33）卫星发生碰撞[2]。机构间空间碎片协调委员会（IADC）出版了 空间碎片缓解指南，建议航天器在完成任务后 25 年内或者入轨后 30 年内脱离轨道。因此， 研究航天器离轨技术具有非常重要的意义。论文网

近年来国外许多高校及研究所都积极投身于立方体卫星离轨技术的研究，典型的离轨方 式包括充气球[2]、电动力绳系[2]和制动帆[2]。充气球利用太阳光压及气动阻力，实现 10000km 高度以下的中地球轨道(MEO)立方体卫星离轨，应用范围广，但是需要携带气体增压装置， 给卫星发射和长时间在轨飞行带来了一定的安全隐患，并且高压气体不可避免地引起气体泄 漏也会缩短使用寿命。电动力绳系离轨速度快，但是其展开后可达到数十米甚至数千米，会 增加 LEO 立方体卫星任务的风险。此外，电动力绳系离轨是利用高速运动的导电绳索切割地 磁场磁力线，从而产生垂直于绳系和当地磁场方向的作用力[3]，对于一些极轨道卫星而言， 该装置存在一定的局限性。制动帆主要通过提高卫星在轨飞行过程中受到的大气阻力，从而 加速卫星离轨。在制动帆装置工作过程中不需要卫星进行主动控制，可以依靠装置自身所储

存的机械能来展开。由于制动帆装置质量小，机构简单，成本低，适用于快速相应、任务周 期短的 LEO 微纳卫星[4]，因而受到了国内的广泛关注。

目前，制动帆装置的研制主要基于国外一些特定任务的立方体卫星所研制，应用范围小， 并且部分制动帆装置的设计目的是为了验证太阳帆技术，因而结构设计较为复杂。本文主要 针对 3U 立方体卫星设计出一种结构简单、应用范围广、可靠性高的制动帆装置，从而保证 立方体卫星能够在规定时间内脱离轨道。