微机电系统是什么?它在航天上的应用你知道吗?

(文章来源《院士讲科学》,该书由《知识就是力量》杂志社总策划,科学普及出版社出版)

专家:尤政,机械电子工程专家,中国工程院院士。现任清华大学教授、副校长、机械工程学院院长、精密仪器系主任,中国人民解放军总装备部科技委兼职委员、微米纳米技术专业组组长,中国微米纳米技术学会副理事长兼秘书长。

得益于超大规模集成电路技术,我们的计算机越来越小、性能越来越高。或者说,不断进步的微电子制造业,让我们可以在一块同样大小的芯片上,集成更多的晶体管。而在机电一体化领域,微机电系统(MEMS)也在发生着类似的进步。肉眼无法分辨的微型机械,会在医疗、航天、授时、信息等领域,发挥越来越大的作用。

今天我们就来详细了解MEMS在航天方面的应用吧。

在很多人的观念里,航天是一个“高大上”的领域;但实际上,航天是一个相当保守的科技领域。每一次航天发射、每一件航天器都成本高昂,使研发者因为担心失败而不敢创新,只求可靠。于是我们可以发现,某些最新的航天器上,还在使用20世纪80年代早期的计算机芯片,仅仅是因为它经过了数十年时间的考验,被认为是高度成熟和可靠的。但这种追求可靠的做法,实际上极大地减缓了人类在航天领域的创新。

基于MEMS技术的“微小卫星”的优点

MEMS技术提供了一种可以接受的解决方案,那就是基于MEMS技术的“微小卫星”。微小卫星最大的好处就是价格便宜,每一枚的成本只在几十万元到百万元的量级,相比于十几亿元成本的传统卫星,可谓廉价。

同时,微小卫星重量轻巧,不需要太大推力的火箭来发射,甚至可以用经过改装的旧弹道导弹来完成发射任务,进一步降低成本。两方面的低成本,让微小卫星的研发者可以有更多的“试错”空间。也就是说,他们因为知道“即使失败了也不会浪费太多钱”,就会在一定程度上敢于尝试新技术。


微小卫星的应用

早在1996年,清华大学就已经开始研发基于MEMS技术的“微小卫星”。2000年6月,由清华大学与英国萨瑞大学合作研发的中国第一颗微小卫星“清华一号”发射升空。这颗卫星的外观,大体是一个长和宽均为33厘米、高640厘米的正四棱柱体,质量49千克,可以为地球表面拍摄清晰的卫星照片,实现资源勘测、地理测绘、观察森林火灾等功能,并不比传统卫星逊色。更重要的是,这颗卫星使用的20世纪80年代中期生产的Intel 80386处理器,就航天领域而言时间跨度并不大;卫星搭载的256MB的工业级内存,在2000年也属于比较前沿的产品。可以说,正是得益于研发的低成本,这颗卫星才得以尝试比较先进、没有经过太多时间考验的新技术。在“清华一号”成功之后,体积和质量更小的“纳型卫星”(质量10千克左右的卫星),已经在清华大学诞生。目前,中国已经能制造质量仅有几千克的纳型卫星。

微小卫星以及更小型的纳型卫星的一大价值,便是在未来的宇宙战争中,组成能迅速部署的“卫星舰队”,甚至担任“自杀卫星”。由于体积和质量很小,微小卫星利于“一箭多星”式的发射,一枚火箭就可以发射一群卫星进入轨道。在国际局势紧张之时,这些微小卫星可以“游荡”到有敌意国家的卫星附近进行骚扰;一旦开战,它们还可以展开“自杀攻击”,直接撞毁敌国精密的大型卫星。用一颗几十万元到几百万元成本的微小卫星,换敌方一颗十几亿元成本的传统卫星,或者其他高价值的太空目标,是相当合算的。

现在,有人认为,未来的太空中,微小卫星将来会占到整个卫星总量的一半以上,而值得骄傲的是,中国已经在这一领域占得先机哦。