太燃了！哈工大學生造飛碟狀衛星，隨引力一號成功入軌，要干啥？

7月22日上午，我國在上海東部海域成功發射引力一號遙四運載火箭，這款目前全球最強的全固體火箭，成功將9顆衛星送入預定軌道。在這9顆衛星中，有一顆衛星格外引人注意。它看起來更像一只扁平的飛碟，衛星主體直徑約1米，厚度卻不超過5厘米，重量約30千克。

這顆名為紫丁香三號的衛星，主要由哈爾濱工業大學紫丁香學生微納衛星團隊研制。它將驗證超扁平衛星平臺、超低軌氣動力控制等一系列新技術。隨著此次發射成功，紫丁香團隊已經研制并發射4顆衛星，哈工大累計研制并成功發射的衛星達到46顆。

一群大學生，為什么要把衛星做成飛碟形狀？如此扁薄的結構，進入太空之后究竟能做什么？

傳統衛星很少被設計成如此扁平的形狀。，大家熟悉的立方星，通常像一個小盒子。大型遙感衛星則往往擁有較長的主體，并在兩側展開太陽翼。這樣的構型經過多年驗證，結構清晰，內部也容易布置設備。

紫丁香三號走了另一條路，它的主體接近圓盤，直徑達到1米，厚度還不到普通成年人一只手掌的長度。把它放在地面上，很容易讓人聯想到科幻電影中的飛碟。

這種設計首先解決的是空間利用問題，衛星發射時必須裝進火箭整流罩。整流罩里的每一寸空間都十分寶貴，衛星越緊湊，同一枚火箭能夠搭載的數量通常越多。超扁平衛星可以像盤子一樣層層堆疊，不需要在衛星之間留下太多空隙，因此很適合批量發射。

一旦未來需要建設數十顆乃至數百顆衛星組成的星座，這種堆疊方式便能提高整流罩內部的空間利用率，減少復雜的分離支架，讓一次發射攜帶更多衛星。

圓盤表面還可以布置較大面積的太陽能電池。相對于衛星自身的體積，它能夠獲得較高的受光面積和功率密度，為星載計算機、通信設備、科學載荷以及姿態控制系統提供更多電能。

哈工大公布的信息顯示，紫丁香三號的超扁平構型具有適合堆疊發射、多星組網和功率密度較高等特點。這說明它是瞄準了衛星批量化、星座化發展的現實需求。

當然，衛星越扁，研制難度并不會越低。短短5厘米的厚度內，需要裝入電源、測控、姿態控制、星載計算機、科學載荷以及各種線纜。結構剛度、設備散熱、電磁兼容和裝配精度都要重新考慮。

在地面上只是幾厘米的尺寸誤差，進入軌道后就可能轉化為姿態晃動、結構變形，甚至設備失效。紫丁香三號要驗證的超扁平力熱一體化平臺，核心任務之一，就是弄清這種極薄構型能否經受火箭發射時的振動、沖擊和噪聲，并在冷熱交替的太空環境中穩定工作。

紫丁香三號最值得關注的試驗，是利用稀薄大氣進行姿態和軌道控制。很多人印象中的太空是一片徹底的真空，實際上，即使在數百公里高的近地軌道，仍然存在極其稀薄的大氣分子。只是這里的空氣密度遠低于地面，人類無法呼吸，也不會形成普通意義上的風。

這些大氣分子很少，卻足以持續撞擊高速飛行的衛星。近地軌道衛星的速度通常達到每秒數公里，如此高的速度下，再稀薄的空氣也會產生阻力。衛星飛得越低，阻力越明顯，軌道高度下降得也越快。

對于傳統衛星而言，大氣阻力通常是一種需要抵消的干擾。衛星必須消耗推進劑抬升軌道，姿態控制系統也要不斷修正氣動力帶來的偏轉。

紫丁香三號則準備換一種思路，把這種干擾變成可以利用的力量。圓盤衛星正面對著飛行方向時，迎風面積較大，受到的阻力也更強。稍微轉動衛星，使圓盤傾斜，迎風面積就會改變。氣流作用位置發生變化后，還會在衛星上產生微小的轉動力矩。

通過精確調整衛星姿態，便有可能改變阻力大小和受力方向，實現姿態控制，并對軌道運動產生影響。由于太空中的氣體密度非常低，衛星需要依靠高靈敏度傳感器和控制算法，才能捕捉并利用這些極微弱的力。

相關航天研究通常把450公里以下的軌道稱為超低軌或甚低地球軌道，在這一高度范圍內，大氣阻力既是限制衛星壽命的重要因素，也為氣動力姿態控制、編隊調節和無推進劑離軌提供了新的可能。已有研究顯示，合理設計衛星外形和氣動控制面，可以讓衛星在超低軌利用大氣力矩完成部分姿態機動，降低對反作用飛輪和推進劑的依賴。

紫丁香三號將首次在軌驗證超扁平構型以及超低軌氣動力輔助姿態控制，如果試驗達到預期，未來衛星或許可以在執行任務時減少燃料消耗，在任務結束后主動增大阻力，更快進入大氣層燒毀，降低長期滯留軌道形成太空碎片的風險。

紫丁香三號不僅要驗證衛星平臺，它還是一顆科學試驗衛星。其主載荷是一套低頻電磁波探測設備，主要研究電離層等離子體波動，以及人工甚低頻信號從地面向太空傳播的規律。

甚低頻通常指頻率為3千赫至30千赫的電磁波，由于頻率低、波長很長，這類信號可以沿著地球表面和電離層之間的空間傳播很遠，也能夠在一定條件下穿過電離層，進入更高處的等離子體環境。

地面上的甚低頻發射臺常被用于遠距離通信和導航，它們發出的信號進入電離層和磁層后，會受到電子密度、地球磁場、晝夜變化以及太陽活動的影響。

衛星在太空中接收這些信號，相當于給地球附近的等離子體環境做一次特殊的掃描。通過研究信號強度、傳播方向和頻率變化，科學家可以分析電離層結構，了解地面電磁波如何進入近地空間，還能研究電磁波與高能粒子的相互作用。

這種研究距離日常生活并不遙遠，電離層會影響短波通信、衛星導航和無線電傳播。太陽耀斑等空間天氣事件發生后，電離層電子密度可能迅速變化，進而造成通信質量下降或導航誤差增大。

紫丁香三號攜帶的低頻電磁波探測載荷，可以幫助研究人員積累更多在軌數據，為理解電離層變化和地面電磁信號的天地傳播過程提供新的依據。

哈工大紫丁香學生微納衛星團隊成立于2012年，是我國較早由大學生深度參與衛星設計、研制和運行管理的團隊。此前，他們已經完成紫丁香二號、紫丁香一號和阿斯圖友誼號等衛星項目。

紫丁香二號于2015年發射，是我國首顆由高校學生自主設計、研制和管控的納衛星。紫丁香一號于2017年升空，參與國際QB50科學計劃。2024年發射的阿斯圖友誼號由中俄高校學生聯合研制，參與成員中超過六成為本科生，衛星總師和各分系統主任設計師也主要由學生擔任。