详解国内外小卫星离轨帆技术发展，有望节约太空轨道资源

金钢狼

随着小卫星技术的进步和发射成本的降低，采用小卫星，甚至是微纳卫星进行快速科学实验与技术验证，甚至组建卫星星座进行军民商应用成为一大趋势。小卫星重量在500kg以内，大多小于100kg，甚至只有数千克。据不完全统计，2014-2017年全球新增66%卫星为微纳卫星，2018年全球发射航天器总数的80%以上为小卫星。而欧洲咨询公司（Euroconsult）曾估计2019—2028年间计划发射8500颗小卫星。然而，大多数小卫星在轨工作时间长则数年，短则数天，而且绝大多数任务结束后很难在短时间内离轨并再入大气层烧毁，从而成为长期驻留轨道、威胁其它航天器的太空垃圾。因此，如何使小卫星快速离轨成为小卫星和空间碎片领域研究的重点技术方向。

典型的航天器离轨方式分为主动和被动两种。主动离轨是指航天器在寿命末期，利用自身携带的动力装置进行轨道机动，降低飞行速度并离开运行轨道，逐渐坠入大气层。2019年7月19日，天宫二号空间实验室受控离轨并再入大气层烧蚀分解，少量残骸落入南太平洋预定安全海域，就是主动离轨的成功案例。被动离轨是让航天器借助薄膜帆装置、电动力系绳、充气球等作用在航天器上使其降低轨道高度。

而国际宇航科学院(IAA)认为小卫星任务后离轨方案依赖于卫星减速、降低轨道高度并使其脱轨，共包括以下4类：

1.推进式离轨

推进装置通常采用高推力或低推力推进系统。推进式离轨会降低卫星的可靠性，同时增加额外发射质量。

2.阻力增强装置

依靠大气阻力降低卫星轨道，目前主要包括阻力帆和充气薄膜装置等两种载荷。

3.太阳帆

太阳帆依靠反射太阳辐射产生推力,通过持续累积推力而形成大的速度增量,迫使卫星离开原有轨道。

4.电动力缆绳

对于低倾角轨道，可以使用被动电动系绳（EDT）；对于太阳同步轨道（SSO）上100kg卫星推荐采用带有电子发射器的主动式EDT，质量更小且离轨时间更短，但需要电力和运控操作。

IAA对上述四种方案进行评估比较后得出如下结论：

1.轨道高度800km以下的小卫星任务具有更多可用的任务后处置（PMD）选项，因为大气阻力可以帮助实现卫星任务后处置。

2.800-1000km轨道高度有几种PMD选项可选，但这些载荷均需要一定的体积、质量和能量且操作复杂性较高。需要注意的是，小卫星从800km以上的高度脱离轨道时，除推进以外的任何选项都会造成重大碰撞风险。

3.轨道高度1000km以上，只有推进系统和太阳帆是可行的。

4.在小卫星任务中，最常用方法依次是推进、阻力增强、太阳帆和电动力缆绳。

当前，鉴于卫星质量体积限制和综合成本控制，基于相对成熟的技术理论，小卫星偏向于采用以阻力帆和太阳帆为主的离轨帆（或称“拖曳帆”）进行离轨操作，如下图表所示。其中，太阳帆的使用是以日本宇宙航空开发机构（JAXA）2010年发射的IKAROS金星探测器为开端。

鉴于任务目标和试验状态等，上述图表中未包含“北理工一号”卫星搭载的充气帆球、潇湘一号07星搭载的“天帆一号”（SIASAIL-I）太阳帆等。接下来，本文针对上述国内外已经部署（包括成功和失败）的小卫星离轨帆进行简要介绍。

PART1

NanoSail-D2

1.技术概述

NanoSail-D2是美国国家航空航天局（NASA）马歇尔太空飞行中心（MSFC）与艾姆斯研究中心（ARC）联合制造的小型技术验证卫星，其主要目的是演示验证大型轻质帆面的离轨能力。NanoSail-D2搭载在“快速经济科学技术卫星”（FASTSAT）立方星上，由FASTSAT在轨利用自带皮星轨道部署器（P-POD）分系统将其进行弹出部署。

FASTSAT立方星概念图（左）与NanoSail-D2卫星（右上）、在轨部署概念图（右下）

NanoSail-D2原本是NanoSail-D的地面备份，但2008年8月NanoSail-D搭乘猎鹰一号火箭发射，最终因火箭故障而失败。NASA用2年时间改进了NanoSail-D2，包括修正吊杆轴的制造问题和更换4个内衬套。同时，NASA提升了任务轨道高度并修改了轨道倾角，并因此延长了任务时间。为了区分，新卫星被称为“NanoSail-D2”，但NASA方面始终称其为“NanoSail-D”。

NanoSail-D2卫星任务计划时间线

NanoSail-D2为3U立方星，重4kg，轨道高度650km，轨道倾角72°。NanoSail-D2帆拥有4片三角形帆面和4根金属带状薄杆，完全展开面积为10m2（约107ft2），完全部署仅需5s。帆面材料采用超薄反光聚合物CP-1，厚度仅为7.5μm，该材料由美国管理科技（ManTech）国际公司旗下原SRS技术公司（现NeXolve公司）制造的极轻薄纱织物制成，其表面涂有一层极薄的铝，以增强其反射太阳能的能力。帆面由美国空军研究实验室（AFRL）提供的刚性牵引杆支撑并展开。

NanoSail-D2帆面地面完全部署试验

虽然NanoSail-D2是面向太阳帆推进技术的技术验证，但NanoSail-D2的低轨道高度意味着来自地球大气层的阻力可能会导致太阳效应（可认为是“太阳的推进力”）变得很小并很难被发现。NanoSail-D2离轨下降速度取决于太阳活动的性质、NanoSail-D2周围的大气密度以及太阳帆与轨道间夹角，离轨时由于太阳耀斑爆发增加了阻力而加速了离轨过程。

离轨后初步评估表明，NanoSail-D2表现出了研究人员经过理论推断预计的周期性离轨速率行为。NanoSail-D2任务的大量在轨数据有助于理解无源离轨装备对高层大气的反应，可以研究和更好地了解地球高空大气对卫星轨道再入的阻力影响。

2.关键进展

2010年11月19日，搭载NanoSail-D2的FASTSAT立方星在美国科迪亚克发射中心搭乘米诺陶四号运载火箭顺利发射并成功入轨。

2010年12月6日，FASTSAT立方星计划部署NanoSail-D2，由于舱门未开启而失败。

2011年1月17日，FASTSAT立方星第二次尝试部署NanoSail-D2。

2011年1月19日，NanoSail-D2回传信号首次被地面接收，确认卫星部署成功。

2011年1月20日，NanoSail-D2部署其帆面。

2011年9月17日，NanoSail-D2再入大气层。

PART2

DeorbitSail

DeOrbitSail是英国萨里大学萨里太空中心（SSC）研制的技术验证卫星，旨在演示验证使用低成本超轻太阳帆作为拖曳帆使卫星离轨再入大气层。该卫星项目被纳入欧盟第七框架计划（FP7），由欧盟委员会资助。2015年7月10日，DeOrbitSail卫星在印度萨迪什·达万航天中心搭乘极地轨道运载火箭（PSLV）顺利发射并成功入轨，但入轨后卫星发生故障。

DeOrbitSail太阳帆在轨部署概念图

DeOrbitSail为3U立方星，重7kg，太阳帆完全展开后尺寸为4m×4m。DeOrbitSail卫星太阳帆技术来源于SSC早前的CubeSail项目，CubeSail主要任务目标包括采用三轴稳定的25m2（5m×5m）太阳帆演示验证近地轨道（LEO）中太阳帆推进的概念和演示验证使用薄纱结构作为卫星离轨增阻装置。

DeOrbitSail卫星太阳帆地面完全部署测试

PART3

CanX-7

CanX-7卫星是加拿大多伦多大学航空航天研究所空间飞行实验室（UTIAS-SFL）研制的技术验证卫星，承担其“自动相关监视-广播（ADS-B）和拖曳航行定轨演示任务”，隶属“加拿大先进空间实验纳卫星”（CanX）计划。CanX计划由UTIAS-SFL发起，旨在通过使用纳卫星为全球研发团体提供具有成本效益的进入太空的途径。该任务由加拿大国防部研发中心（DRDC）、加拿大国家自然科学与工程研究委员会（NSERC）和原加拿大COM DEV国际公司（现霍尼韦尔航空航天公司）资助。

2016年9月26日，CanX-7在印度萨迪什·达万航天中心搭乘极地轨道运载火箭（PSLV C35）顺利发射并成功入轨，5月4日CanX-7拖曳帆在轨成功展开。

CanX-7（红色虚线标注部分为拖曳帆模块）

CanX-7主要任务目标有3个，以拖曳帆主载荷为主的目标2个，分别是演示验证用于立方星离轨的拖曳帆与验证（拖曳帆）部署后的离轨与姿态模型。CanX-7目前依然在轨，任务已基本完成。

SFL洁净室内完全部署拖曳帆的CanX-7

CanX-7为3U立方星，基于SFL升级版的CanX-2卫星平台，重3.6kg，尺寸10cm×10cm×34cm，运行在高度690km的太阳同步轨道（SSO）。CanX-7上安装有“展开检测子系统”（DDS）（或称“CamBoom”），包括商业现货（COTS）相机，用于监测并验证拖曳帆的正确展开。

星载相机监测拖曳帆部署范围

CanX-7拖曳帆拥有4个各1m2三角形薄膜的拖曳帆模块，收纳后占卫星体积不到25%，采用带弹簧动臂展开。CanX-7拖曳帆选择的材料是12.7μm厚的聚酰亚胺薄膜Kapton，并具有30nm的铝涂层，能够应对超过200°C的恶劣环境。拖曳帆可以降低卫星的弹道系数，并利用大气阻力来加速轨道衰减。

CanX-7单个拖曳帆模块

CanX-7拖曳帆部署后，通过星载遥测和地面光学监测进行了确认。拖曳帆部署后，CanX-7轨道高度衰减率短期内变化非常明显，从约0.5km/年增加到20km/年。随着海拔高度降低，大气密度呈指数增长，因此衰减率也呈指数增长。除了衰减率的变化，还观察到其弹道系数的显著变化。

2017年5月拖曳帆部署后CanX-7高度随时间衰减图

针对固定面积的拖曳帆，随着轨道高度和航天器质量的增加，离轨性能会下降。用于该任务的拖曳帆为4m2，可使重达15kg的航天器从高度800km的地球轨道离轨，以满足机构间空间碎片协调委员会（IADC）的25年离轨规则。因其轻质、紧凑和模块化的理念，其可以应用于多种小卫星平台，包括2U立方星、SFL通用纳星平台（GNB）和SFL下一代地球监视与观测（NEMO）平台。

CanX-7单个拖曳帆模块透视图

CanX-7入轨后首先进行的是长达7个月的ADS-B信号监测试验，但同时展示了其拖曳帆在轨长期存放的能力。CanX-7任务成功证明了SFL拖曳帆的可定制性、模块化、可收纳性和有效性，可满足IADC的离轨要求。该任务结果是为低轨纳卫星和微卫星提供低成本、模块化和可定制的离轨设备的基础，从而减轻了使用此类卫星执行太空任务时程序和技术上的风险。

PART4

Inflatesail

InflateSail是英国萨里大学萨里太空中心（SSC）研制的技术验证卫星，隶属于SSC“太空大型可部署技术”（DEPLOYTECH）项目，其主要目标为验证太阳帆的展开部署及离轨能力。该卫星还隶属于QB50项目，DEPLOYTECH和QB50项目都在欧盟第七框架计划（FP7）下受到资助。

2017年6月23日，InflateSail卫星在印度萨迪什·达万航天中心搭乘极地轨道运载火箭（PSLV C38）顺利发射并成功入轨，在入轨后约1h成功部署了帆。InflateSail在轨运行72天内迅速降轨，并于9月3日再入大气层。

InflateSail卫星

InflateSail为3U立方星，运行在高度约500km、倾角97.44°的太阳同步轨道。InflateSail离规装置包括一个1m长的充气式金属-聚合物层压管状桅杆和约10m2的离轨帆。

InflateSail卫星帆在轨完全展开概念图

InflateSail离轨帆采用12μm厚的聚萘甲酸乙二醇酯（PEN）透明材料，尺寸为3.1m×3.1m，采用4根采用碳纤维复合材料（CFRP）制成的轻质双稳刚性复合材料（BRC）杆展开并支撑。InflateSail离轨帆同样来源于SSC的CubeSail项目太阳帆。

Inflatesail充气桅杆和离轨地面展开试验

InflateSail离轨帆经在轨成功验证后应用于SSC的2018年发射的RemoveDebris主动碎片清除卫星。

InflateSail轨道高度随变化

（注：红色为InflateSail，灰色为同时发射部署的URSA-MAIOR立方星）

PART5

PW-Sat2

PW-Sat2是由波兰华沙理工大学（WUT/PW）研制的技术验证立方星。该卫星任务拥有2个目标，主要目标是以大面积薄膜帆的形式测试创新设计的离轨系统，次要目标是测试一款太阳敏感器装置。2016年，PW-Sat2离轨帆设计获得由成立于日本的国际非盈利组织——大学太空工程协会（UNISEC-Global）举办的离轨系统比赛第二名。

PW-Sat2离轨帆完全部署概念图

2018年12月3日，PW-Sat2在美国范登堡空军基地SLC-4E搭乘猎鹰九号运载火箭顺利发射并成功入轨，PW-Sat2离轨帆于12月29日成功在轨展开。

PW-Sat2卫星

PW-Sat2为2U立方星，尺寸10cm×10.3cm×20.5cm，主载荷为离轨帆。PW-Sat2离轨系统主要是由形状记忆线材和聚酯薄膜制成的帆面展开结构。PW-Sat2搭载2个VGA摄像头，其中一个用来记录离轨帆展开。

PW-Sat2离轨帆收纳状态（左）和离轨帆完全部署地面测试（右）

PW-Sat2离轨帆为6μm厚的镀铝聚酯薄膜，尺寸为2m×2m。离轨帆在发射时被盘绕折叠并放置在直径80mm的圆柱形载荷舱内，高度不超过70mm，并采用无源展开方案，仅由弹簧和弹性杆作为动力来源，以降低成本、减小体积与提高可靠性。离轨帆正常展开后，卫星离轨再入大气层的时间将由20年以上缩短至6-12个月。

PW-Sat2星载相机在轨拍摄的离轨帆展开图像

PW-Sat2原计划于在轨飞行第39天展开离轨帆。为避免之前PW-Sat中出现的类似故障，星载控制系统增加了冗余设计，一旦地面指令无法正常接收，将在飞行第40天自动发出离轨帆展开命令，确保主载荷正常工作。PW-Sat2实际提前十余天展开离轨帆并成功部署。

PART6

“淮安号”

“淮安号”恩来星是南京理工大学研制的技术验证卫星，宣称为我国第一颗应用了主动离轨制动装置的立方星、第一颗真正意义上的“环保型”微纳卫星。2018年1月19日，“淮安号”恩来星在中国酒泉卫星发射中心搭乘长征十一号运载火箭顺利发射并成功入轨。但该卫星任务后续无任何进展报道，任务状态尚不清楚。

“淮安号”恩来星

“淮安号”恩来星为2U立方星，重2.475kg，设计寿命6个月。该星不仅可实现高分辨率对地成像和语音转发等功能，同时计划开展基于制动帆技术的主动离轨试验。

卫星制动帆展开模型

“淮安号”恩来星制动帆采用15μm厚的双面镀铝聚酰亚胺薄膜，重约300g，完全展开面积约为1.2m2，收拢状态下体积为ϕ70mm×60mm。该制动帆在工作过程中不需要卫星进行主动控制，可以依靠自身所储存的机械能展开。该系统质量轻、结构简单、成本低，适用于快速响应、任务周期短的低轨立方星。

制动帆实物

PART7

青腾之星

青腾之星（潇湘一号03星）是长沙天仪空间科技研究院有限公司（简称“天仪研究院”）研制的技术验证立方星。2019年1月21日，青腾之星在中国酒泉卫星发射中心搭乘长征十一号运载火箭顺利发射并成功入轨，离轨帆于4月18日在轨顺利展开并开始卫星被动离轨试验。天仪研究院鉴于迄今尚未见其它有关离轨帆试验的公开报道，宣称“本次试验或系中国首次太空离轨帆试验”。

测试中的青腾之星

天仪研究院通过自主研发将离轨帆和卫星进行了一体化设计，利用天仪6U立方星平台的边角空间嵌入了一个极低成本的离轨帆。该离轨帆在轨展开后面积达到0.7m2，能够使卫星最快在6个月内离轨。由于离轨帆不占据卫星内部有效空间，使得其综合成本远低于国内外其它同类设计。天仪自研离轨帆具有小型化、轻量化、高可靠性等特点，计划在卫星入轨6个月后进行首次在轨技术验证，预计展开后可以使潇湘一号03星在6-12月内脱离轨道。离轨帆展开后使卫星进入离轨飞行模式（离轨帆以最大投影面积指向飞行速度方向）。

天仪研究院自研离轨帆

PART8

金牛座纳星

金牛座纳星（Taurus-1）由中国航天科技集团上海航天技术研究院（航天八院）805所下属上海埃依斯航天科技有限公司研制的离轨帆技术试验验证星，主要任务是验证薄膜离轨帆装置收拢和在轨展开技术并实测离轨效果。2019年9月12日，金牛座纳星在中国太原卫星发射中心搭乘长征四号乙运载火箭顺利发射并成功入轨，其离轨帆于9月18日在轨顺利展开并开始被动离轨试验。

金牛座纳星

金牛座纳星主载荷是基于薄膜机构技术的空间碎片离轨帆装置，由中国航天科技集团有限公司空间结构与机构技术实验室研制。金牛座纳星离轨帆装置展开面积为2.25m2，收拢时仅有高尔夫球大小，布置在星箭分离机构的内部空隙部位。其采用先进的微米级薄膜折叠收拢技术，展收比达到国际一流水平，采用标准化接口，可加装至各类成熟的小卫星平台而不占用卫星自身包络。

金牛座纳星离轨帆在轨展开效果图

以轨道高度750km、重15kg的小卫星为例，如不采取离轨措施，其寿命结束后还能在轨运行近百年。而采用2.25m2的薄膜离轨帆，卫星离轨时间将缩短至原来的十分之一以内。

金牛座纳星星载相机拍摄的离轨帆展开图像

总结

宝贵的地球轨道资源是有限的，为避免大量的失效小卫星占用轨道资源和威胁其他航天器，同时由于小卫星质量轻且大多位于低轨道（200-2000km），因此采用阻力帆和太阳帆等离轨帆进行辅助离轨是一种极具潜力的技术方案。目前，离轨帆技术还在技术验证阶段，成功部署率和有效离轨率尚不高，离大规模应用尚远且没有统一标准，国内外高校、研究机构和商业航天公司等仍应该加大技术研究与投入，加速离轨帆相关技术研发与应用。