是質(zhì)量在幾百千克以下、具有獨(dú)特的研究開發(fā)模式的新型航天器。從1957 年人類進(jìn)入太空時(shí)代以來(lái)，微小衛(wèi)星經(jīng)歷了兩次大量發(fā)射的熱潮，美國(guó)、歐洲、日本等國(guó)家和地區(qū)均發(fā)布了支持微小衛(wèi)星發(fā)展的重要政策、戰(zhàn)略，未來(lái)10 年預(yù)計(jì)會(huì)有數(shù)以萬(wàn)計(jì)的微小衛(wèi)星進(jìn)入近地軌道，這給全球帶來(lái)了許多問題和挑戰(zhàn)，包括空間碎片問題、對(duì)天文觀測(cè)的干擾問題、對(duì)通信頻率的擠占問題、對(duì)大氣層的污染問題等。

　　盡管微小衛(wèi)星在近年來(lái)迎來(lái)了一波繁榮發(fā)展的熱潮，但實(shí)際上人類在太空時(shí)代早期發(fā)射的大部分衛(wèi)星都屬于質(zhì)量在幾百千克以內(nèi)的微小衛(wèi)星?！秶?guó)際空間科學(xué)小衛(wèi)星發(fā)展路線 年的時(shí)間內(nèi)世界各國(guó)發(fā)射的質(zhì)量小于200 千克的衛(wèi)星數(shù)量統(tǒng)計(jì)情況，可以看出，微小衛(wèi)星的發(fā)射熱潮大致可分為兩個(gè)時(shí)期。

　　▲ 1957～2017 年各國(guó)每年發(fā)射的微小衛(wèi)星（小于200 千克）數(shù)量

　　自蘇聯(lián)發(fā)射首顆人造地球衛(wèi)星后，美國(guó)和蘇聯(lián)開始太空競(jìng)賽，發(fā)射了大量小型衛(wèi)星。在此期間，人類歷史上第一顆通信衛(wèi)星、第一顆氣象衛(wèi)星、第一顆極地軌道衛(wèi)星、第一顆返回式偵察衛(wèi)星等相繼發(fā)射，衛(wèi)星的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，航天發(fā)射技術(shù)也日臻成熟。1972年，隨著美國(guó)“阿波羅計(jì)劃”（Apollo program）的成功結(jié)束，美蘇兩國(guó)轉(zhuǎn)而將大量航天資源用于研制和發(fā)射大型近地軌道載人航天設(shè)施，蘇聯(lián)于1971 年發(fā)射了“禮炮1 號(hào)”（Салют-1）空間站，美國(guó)則從1972 年起開始研制航天飛機(jī)，并于1973 年發(fā)射“天空實(shí)驗(yàn)室”（Skylab）空間站。微小衛(wèi)星的發(fā)射數(shù)量從此逐漸進(jìn)入“穩(wěn)中有降”的階段。

　　“我可以在九游娛樂上玩什么類型的游戲？”

　　1999 年，美國(guó)加州理工大學(xué)和斯坦福大學(xué)聯(lián)合制定了關(guān)于立方體衛(wèi)星（按質(zhì)量劃分屬于納衛(wèi)星）的標(biāo)準(zhǔn)，旨在幫助大學(xué)生設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試在近地軌道運(yùn)行的小型衛(wèi)星（CubeSat，2021）。后來(lái)該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于全球數(shù)百個(gè)組織，但在2014 年之前，大部分立方體衛(wèi)星是由學(xué)術(shù)界發(fā)射的。2014 年，由企業(yè)發(fā)射的立方體衛(wèi)星數(shù)量首次超過50%，從此之后，用于商業(yè)目的的微小衛(wèi)星的數(shù)量占比一直超過用于學(xué)術(shù)研究的數(shù)量（Nanosats Database，2021）。

　　2014 年發(fā)射的大部分微小衛(wèi)星來(lái)自美國(guó)行星實(shí)驗(yàn)室（Planet Labs）公司。該公司是由前NASA 科學(xué)家于2010 年成立的，旨在建立廉價(jià)、快捷、適用性強(qiáng)的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。2014 年1 月、6 月和7 月，該公司先后發(fā)射了3 批名為“鴿子”（Dove）的立方體衛(wèi)星，分別組成了3 個(gè)對(duì)地遙感小衛(wèi)星星座，名為“鳥群-1”（Flock-1）、“鳥群-1b”（Flock-1b）和“鳥群-1c”（Flock-1c），每個(gè)星座包含28 顆“鴿子”衛(wèi)星。這些“鴿子”衛(wèi)星是作為次級(jí)載荷，通過“搭便車”的方式被發(fā)射到國(guó)際空間站的，然后又從國(guó)際空間站釋放入軌。

　　2017 年，微小衛(wèi)星的發(fā)射出現(xiàn)了一個(gè)高峰，原因是印度、俄羅斯、美國(guó)均發(fā)射了一大批微小衛(wèi)星。其中，印度于2017 年2 月15 日一次性發(fā)射了104 顆衛(wèi)星，是截至2021 年6月人類單次發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量最多的一次航天發(fā)射。這104 顆衛(wèi)星中有88 顆是Planet Labs 公司的“鴿子”衛(wèi)星（科羅廖夫，2020）。俄羅斯則在2017 年7 月14 日一次性發(fā)射了73 顆衛(wèi)星，其中包括48 顆“鴿子”衛(wèi)星。美國(guó)于2017 年4 月18 日發(fā)射了28 顆小衛(wèi)星，它們屬于歐盟“50 顆立方體衛(wèi)星組成的用于開展低熱層探測(cè)和再入返回研究的國(guó)際衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)”項(xiàng)目（QB50），該項(xiàng)目的目標(biāo)是通過50 顆分布在不同軌道的小衛(wèi)星，研究低層大氣（90～320 千米）內(nèi)主要成分和參數(shù)的時(shí)空變化（吳鵬，2017）。

　　“我可以在九游娛樂上玩什么類型的游戲？”

　　2019 年后，發(fā)射微小衛(wèi)星數(shù)量最多的是美國(guó)SpaceX 公司。該公司于2018 年2 月發(fā)射了2 顆“星鏈”原型衛(wèi)星后，于2019 年5 月一次性部署了60 顆“星鏈”衛(wèi)星，隨后接連開展發(fā)射活動(dòng)，截至2021 年4 月7 日，美國(guó)SpaceX 公司共發(fā)射了24 批、累計(jì)1443 顆“星鏈”衛(wèi)星（Equalocean，2021）。

　　針對(duì)當(dāng)前世界微小衛(wèi)星的分布情況，美國(guó)布萊斯空間和技術(shù)（Bryce Space and Technology）行業(yè)資訊公司于2020 年發(fā)布報(bào)告《小衛(wèi)星數(shù)量統(tǒng)計(jì)2020》（Bryce Space and Technology，2020），對(duì)2012～2019 年世界各國(guó)發(fā)射的全部衛(wèi)星類別（包括微小衛(wèi)星）進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。結(jié)果顯示，在統(tǒng)計(jì)期內(nèi)，全世界有超過1700 個(gè)600 千克以下的微小衛(wèi)星被發(fā)射，且其中52%屬于商業(yè)小衛(wèi)星。

　　在發(fā)射微小衛(wèi)星的國(guó)家中，發(fā)射數(shù)量靠前的幾個(gè)國(guó)家分別為美國(guó)、印度、俄羅斯、中國(guó)、日本，其中美國(guó)發(fā)射的微小衛(wèi)星數(shù)量約占全球的45%（圖2-4）。而從微小衛(wèi)星的用途看，“遙感”“技術(shù)開發(fā)”“通信”依次是微小衛(wèi)星應(yīng)用最多的領(lǐng)域，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過“科學(xué)研究”的用途（圖2-5）。

　　2021 年4 月8 日，歐洲咨詢公司（Euroconsult）發(fā)布了第7 版《小衛(wèi)星市場(chǎng)展望》報(bào)告（Satnews，2021），預(yù)測(cè)未來(lái)10 年（2021～2030 年）全球重量500 千克以下的微小衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量將進(jìn)一步增長(zhǎng)。報(bào)告提出：21 世紀(jì)20 年代將是屬于微小衛(wèi)星的10 年，微小衛(wèi)星組成巨型星座的時(shí)代已真正到來(lái)。根據(jù)這份報(bào)告，2021～2030 年全球預(yù)計(jì)將累計(jì)發(fā)射13 912顆微小衛(wèi)星，平均每年發(fā)射1391 顆，平均每顆衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量180 千克，其中商用微小衛(wèi)星數(shù)量最多，達(dá)10 865 顆。按地區(qū)排名，北美、亞洲和歐洲2021～2030 年微小衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量位列前3 名，分別為9939 顆（約占71%）、2707 顆（約占19%）和787 顆（約占6%）；按應(yīng)用領(lǐng)域排名，“通信”、“地球觀測(cè)”和“科技”用微小衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量位列前3 名，分別為8497 顆（約占61%）、1812 顆（約占13%）和1688 顆（約占12%）。在將要發(fā)射的所有微小衛(wèi)星中，有84%預(yù)計(jì)將成為衛(wèi)星星座的一部分。

　　從與微小衛(wèi)星研究相關(guān)的論文和專利成果看，近年來(lái)與微小衛(wèi)星相關(guān)的研究成果增長(zhǎng)迅速，美國(guó)、中國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、意大利、日本、法國(guó)、俄羅斯等是國(guó)際微小衛(wèi)星研究規(guī)模領(lǐng)先的國(guó)家。從關(guān)鍵技術(shù)看，微小衛(wèi)星在組網(wǎng)構(gòu)成合成孔徑望遠(yuǎn)鏡、姿態(tài)和軌道控制、數(shù)據(jù)處理和通信等方面具有區(qū)別于大型航天器的獨(dú)特技術(shù)要求，也提供了新穎獨(dú)特的技術(shù)能力。

　　我國(guó)是航天大國(guó)，面對(duì)國(guó)際微小衛(wèi)星發(fā)展態(tài)勢(shì)，應(yīng)當(dāng)抓住機(jī)遇、發(fā)揮優(yōu)勢(shì)、有所作為，不斷推進(jìn)我國(guó)航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)事業(yè)，并可以通過應(yīng)對(duì)共同空間問題為契機(jī)推進(jìn)人類命運(yùn)共同體建設(shè)。

　　當(dāng)前，許多發(fā)展中國(guó)家和小國(guó)家都對(duì)發(fā)射本國(guó)的微小衛(wèi)星具有強(qiáng)烈的需求。但是，世界上擁有獨(dú)立發(fā)射運(yùn)載火箭、實(shí)現(xiàn)太空運(yùn)輸能力的國(guó)家數(shù)量仍然很少，能夠?qū)崿F(xiàn)載人航天發(fā)射的國(guó)家更是只有中、美、俄三國(guó)。因此，無(wú)論是進(jìn)入太空、利用太空還是探測(cè)深空，新興航天國(guó)家都必須借助航天大國(guó)和強(qiáng)國(guó)的航天技術(shù)能力、航天器管理運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、航天發(fā)射和測(cè)控基礎(chǔ)設(shè)施等，這為我國(guó)發(fā)展國(guó)際航天合作提供了機(jī)遇。我國(guó)“天問一號(hào)”火星探測(cè)器、“祝融”號(hào)火星車、“嫦娥”系列探月任務(wù)等不斷取得巨大成功，在國(guó)際上展現(xiàn)了我國(guó)良好的航天技術(shù)能力。

　　我國(guó)可以學(xué)習(xí)日本等國(guó)家?guī)椭l(fā)展中國(guó)家研制微小衛(wèi)星的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，通過合作研制開發(fā)微小衛(wèi)星、為他國(guó)微小衛(wèi)星提供發(fā)射和部署基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)等，推動(dòng)共建“一帶一路”國(guó)家的航天事業(yè)發(fā)展。

　　為解決微小衛(wèi)星造成的空間碎片等問題，我國(guó)可以牽頭倡導(dǎo)制定新的國(guó)際空間行為準(zhǔn)則和標(biāo)準(zhǔn)（如倡導(dǎo)新發(fā)射的衛(wèi)星應(yīng)當(dāng)設(shè)置在其報(bào)廢后自主消減空間碎片的措施等）；面向空間碎片消減、載人火星探測(cè)、近地天體防御等需要全人類合作解決的問題，我國(guó)可以依托聯(lián)合國(guó)等國(guó)際組織框架進(jìn)行討論，加深中國(guó)同世界各國(guó)特別是歐洲空間局成員國(guó)的互信和合作基礎(chǔ)。

　　我國(guó)還應(yīng)加大對(duì)相關(guān)技術(shù)手段的研發(fā)，例如，通過低成本手段使立方體衛(wèi)星具有可機(jī)動(dòng)性、可跟蹤性、避免射頻干擾、及時(shí)離軌能力等；開發(fā)能夠跟蹤監(jiān)測(cè)和主動(dòng)清除空間碎片的技術(shù)；進(jìn)一步發(fā)展能夠解決無(wú)線電頻譜占用問題的激光通信技術(shù)；等等。

　　傳統(tǒng)政府和科學(xué)界的文化對(duì)微小衛(wèi)星的發(fā)展有些“格格不入”。隨著大量商業(yè)公司介入微小衛(wèi)星領(lǐng)域，在國(guó)際上形成了追求冒險(xiǎn)、允許失敗的“微小衛(wèi)星文化”。新出現(xiàn)的許多微小衛(wèi)星部件制造商以“降低成本”為目標(biāo)，專注于衛(wèi)星配件的大批量生產(chǎn)，而隨著“星鏈”計(jì)劃等巨型星座的出現(xiàn)，這一趨勢(shì)正在加速，因?yàn)橹挥袑?shí)現(xiàn)衛(wèi)星平臺(tái)和部件的“商品化”“平價(jià)化”，才能實(shí)現(xiàn)航天生產(chǎn)的“規(guī)?；?，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)航天活動(dòng)的“平民化”，推動(dòng)人類進(jìn)入太空經(jīng)濟(jì)繁榮發(fā)展的新時(shí)代。美國(guó)SpaceX 公司成功研制出可重復(fù)使用的火箭，并大膽地將其應(yīng)用于國(guó)際空間站補(bǔ)給等任務(wù)，在國(guó)際上樹立了降低航天成本、推動(dòng)航天技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的典范。

　　作為對(duì)比，傳統(tǒng)的航天機(jī)構(gòu)在衛(wèi)星任務(wù)開發(fā)和管理上，對(duì)低風(fēng)險(xiǎn)和高可靠性的追求可謂達(dá)到了極致，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的大型衛(wèi)星造價(jià)昂貴、研制周期漫長(zhǎng)，一旦出現(xiàn)問題將使許多人多年的心血付之東流；在載人航天領(lǐng)域更需要強(qiáng)調(diào)“零風(fēng)險(xiǎn)”。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)航天機(jī)構(gòu)一直秉承周恩來(lái)總理提出的十六字教導(dǎo)：嚴(yán)肅認(rèn)真、周到細(xì)致、穩(wěn)妥可靠、萬(wàn)無(wú)一失。正是這樣的文化和精神，支撐我國(guó)獲得了一個(gè)又一個(gè)舉世矚目的航天成就。但是面對(duì)國(guó)際微小衛(wèi)星發(fā)展的新趨勢(shì)，我國(guó)應(yīng)考慮在保持優(yōu)良傳統(tǒng)的同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)航天任務(wù)的分類管理，提高對(duì)顛覆性創(chuàng)新航天任務(wù)的風(fēng)險(xiǎn)容忍程度；善于利用微小衛(wèi)星“發(fā)射—學(xué)習(xí)—再發(fā)射”的開發(fā)模式測(cè)試新的技術(shù)概念，在這種開發(fā)模式下甚至可以以犧牲任務(wù)安全性為代價(jià)。

　　歐美一些研究機(jī)構(gòu)專門從事顛覆性、高風(fēng)險(xiǎn)的研究，例如美國(guó)幾個(gè)先進(jìn)研究項(xiàng)目機(jī)構(gòu)，包括美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局（DARPA）、美國(guó)情報(bào)高級(jí)研究計(jì)劃局（IARPA）、美國(guó)能源部高級(jí)能源研究計(jì)劃署（ARPA-E）等，它們的領(lǐng)導(dǎo)層只優(yōu)先考慮高風(fēng)險(xiǎn)的、不一定有明確定義的計(jì)劃和項(xiàng)目，以維護(hù)該研究機(jī)構(gòu)的高風(fēng)險(xiǎn)文化。英國(guó)工程和物理科學(xué)研究委員會(huì)（Engineering and Physical Sciences Research Council）也提出了名為“創(chuàng)意工廠”（IDEAS Factory）的框架，旨在“刺激高度創(chuàng)新、更容忍風(fēng)險(xiǎn)的研究活動(dòng)，這些活動(dòng)在正常情況下是難以想象的”。我國(guó)在微小衛(wèi)星的研制方面，可以指定或成立1 個(gè)新的研究機(jī)構(gòu)，專門借鑒歐美這些機(jī)構(gòu)的管理框架，以更好地推動(dòng)我國(guó)航天領(lǐng)域的顛覆性創(chuàng)新。

　　本文節(jié)選自《國(guó)際科學(xué)技術(shù)前沿報(bào)告2021》（張志強(qiáng)主編. 北京：科學(xué)出版社，2022.12）一書“2 微小衛(wèi)星技術(shù)國(guó)際發(fā)展態(tài)勢(shì)分析”，有刪減修改。

　　本書從基礎(chǔ)交叉前沿、空間光電、信息、材料、能源、生物、人口健康、農(nóng)業(yè)、海洋、資源與生態(tài)環(huán)境等主要科技領(lǐng)域以及科技基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)據(jù)計(jì)算平臺(tái)等科技研發(fā)平臺(tái)中，選擇原子分子物理學(xué)與光學(xué)物理、微小衛(wèi)星技術(shù)、量子傳感與測(cè)量技術(shù)、冶金智能化制造關(guān)鍵技術(shù)、下一代電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)、腦機(jī)接口技術(shù)、基因治療技術(shù)、生物育種技術(shù)、北極研究、可持續(xù)發(fā)展研究、光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡以及百億億次計(jì)算技術(shù)等12 個(gè)科技創(chuàng)新前沿領(lǐng)域、前沿學(xué)科、熱點(diǎn)問題或技術(shù)領(lǐng)域，逐一對(duì)其進(jìn)行國(guó)際研究發(fā)展態(tài)勢(shì)的全面系統(tǒng)分析，剖析這些前沿領(lǐng)域和熱點(diǎn)學(xué)科或科學(xué)問題的國(guó)際總體進(jìn)展?fàn)顩r、研究動(dòng)態(tài)與發(fā)展趨勢(shì)、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)發(fā)展態(tài)勢(shì)，并對(duì)我國(guó)開展這些相關(guān)前沿領(lǐng)域和熱點(diǎn)問題研究提出對(duì)策建議，為我國(guó)這些領(lǐng)域的科技創(chuàng)新發(fā)展的科技布局、研究決策等提供重要的咨詢依據(jù)，為有關(guān)科研機(jī)構(gòu)開展這些科技領(lǐng)域的研究部署提供國(guó)際相關(guān)領(lǐng)域科技發(fā)展的重要參考背景。

　　本書中所闡述的科技前沿領(lǐng)域或熱點(diǎn)問題，選題新穎，具有前瞻性，資料數(shù)據(jù)翔實(shí)，分析全面透徹，采取了科技戰(zhàn)略情報(bào)研究人員與領(lǐng)域戰(zhàn)略研究專家合作的研究模式，有關(guān)研究與發(fā)展的對(duì)策建議可操作性強(qiáng)，適合政府科技管理部門和科研機(jī)構(gòu)的科研管理、科技戰(zhàn)略研究和相關(guān)科技領(lǐng)域研究的專業(yè)人員等閱讀。

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