日本折叠立方卫星升空 宽仅10厘米 在轨展开后尺寸增至25倍
4月23日,日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)实施“革新崛起”(Kakushin Rising)任务,将多颗小型卫星送入距地约540公里的太阳同步轨道。其中,一颗边长仅10厘米的“折纸”立方体卫星OrigamiSat-2尤为引人关注。这颗卫星搭载可展开式反射阵列天线,入轨后可像折纸一样展开,尺寸达到折叠状态的25倍。

此次发射属于JAXA“创新卫星技术验证计划”的最新阶段。火箭从新西兰起飞约53分钟后,任务共完成8颗小卫星的部署,相关载荷将服务于地震电磁前兆探测、海洋监测、超小型相机多光谱成像等多项技术验证与应用目标。
报道指出,将折纸及相关“切纸”理念用于工程设计,在日本及其他国家已有悠久历史。1970年,三浦公亮博士提出著名的“三浦折叠”结构,最初用于便于收纳和展开的大型地图,其研究背景本身就与航天可展开结构有关。到了1995年,日本“空间飞行器单元”卫星已将这一结构用于太阳能电池板,使其在轨道上顺利展开,并对后续航天器的太阳翼设计产生了持续影响。

类似思路也被应用于太阳帆飞行器。日本设计者将这类飞行器称作“太空游艇”,其原理并非依靠发动机或火箭燃料,而是利用光子压力推动太阳帆前进。2010年,JAXA发射了全球首个小型太阳帆飞行器IKAROS,该航天器借助折纸式太阳帆飞行了80800公里,前往金星方向,成为折叠式航天结构应用的代表案例之一。

在航天领域,发射成本始终是关键制约因素。文章援引资料称,早在2000年前后,一颗常规气象卫星建造成本约为2.9亿美元,一颗侦察卫星约为3.9亿美元,发射费用还需额外增加1000万至4亿美元不等。大型火箭每磅载荷发射成本超过4000美元,小型火箭则可达到14000美元。以2009年的商业通信卫星TerreStar-1为例,其天线和太阳能板展开后尺寸庞大,整星重约6.91吨,建造及保险成本约3.5亿美元,仅搭乘阿丽亚娜5号火箭发射就支付了1.65亿美元。

相比之下,立方星因体积小、重量轻、开发周期短而具备显著成本优势。大学生团队也能在较短周期内,以数千美元级别预算研发立方星。这类卫星重量最低可至1公斤,最高约10公斤,甚至轻到可借助“气球火箭”等新型平台发射。文中提到,西班牙公司Zero 2 Infinity正在研发的Bloostar系统,理论上可将140公斤载荷送入约200公里近地轨道,或将75公斤载荷送入约600公里太阳同步轨道。
OrigamiSat-2此次采用的折叠式反射阵列天线,也体现出低成本高增益通信技术的发展方向。与传统反射面天线不同,反射阵列天线通过馈源单元与无源平面反射面协同工作,控制反射电磁波的相位,从而形成聚焦波束,适用于轨道和深空任务。

值得注意的是,这是JAXA在5个月内第二次借助美国商业航天企业Rocket Lab执行卫星发射任务。Rocket Lab总部位于美国加州长滩,同时在美国和新西兰马希亚半岛运营发射设施,其Electron两级火箭主要面向小载荷发射,且部分构型具备可回收能力。
Rocket Lab创始人兼首席执行官彼得·贝克表示,数月内连续两次为JAXA成功执行专属发射,并将卫星精确送入目标轨道,说明Electron火箭已成为国家航天机构青睐的小型发射工具之一。文章同时提到,全球立方星产业规模已达到3.55亿美元。Rocket Lab则称,公司已部署超过250颗卫星,业务覆盖发射服务、航天器平台、卫星部件以及在轨管理,并与NASA、美国太空军、DARPA以及佳能等机构和企业合作。


