太燃了！哈工大学生造飞碟状卫星，随引力一号成功入轨，要干啥？

7月22日上午，我国在上海东部海域成功发射引力一号遥四运载火箭，这款目前全球最强的全固体火箭，成功将9颗卫星送入预定轨道。在这9颗卫星中，有一颗卫星格外引人注意。它看起来更像一只扁平的飞碟，卫星主体直径约1米，厚度却不超过5厘米，重量约30千克。

这颗名为紫丁香三号的卫星，主要由哈尔滨工业大学紫丁香学生微纳卫星团队研制。它将验证超扁平卫星平台、超低轨气动力控制等一系列新技术。随着此次发射成功，紫丁香团队已经研制并发射4颗卫星，哈工大累计研制并成功发射的卫星达到46颗。

一群大学生，为什么要把卫星做成飞碟形状？如此扁薄的结构，进入太空之后究竟能做什么？

传统卫星很少被设计成如此扁平的形状。，大家熟悉的立方星，通常像一个小盒子。大型遥感卫星则往往拥有较长的主体，并在两侧展开太阳翼。这样的构型经过多年验证，结构清晰，内部也容易布置设备。

紫丁香三号走了另一条路，它的主体接近圆盘，直径达到1米，厚度还不到普通成年人一只手掌的长度。把它放在地面上，很容易让人联想到科幻电影中的飞碟。

这种设计首先解决的是空间利用问题，卫星发射时必须装进火箭整流罩。整流罩里的每一寸空间都十分宝贵，卫星越紧凑，同一枚火箭能够搭载的数量通常越多。超扁平卫星可以像盘子一样层层堆叠，不需要在卫星之间留下太多空隙，因此很适合批量发射。

一旦未来需要建设数十颗乃至数百颗卫星组成的星座，这种堆叠方式便能提高整流罩内部的空间利用率，减少复杂的分离支架，让一次发射携带更多卫星。

圆盘表面还可以布置较大面积的太阳能电池。相对于卫星自身的体积，它能够获得较高的受光面积和功率密度，为星载计算机、通信设备、科学载荷以及姿态控制系统提供更多电能。

哈工大公布的信息显示，紫丁香三号的超扁平构型具有适合堆叠发射、多星组网和功率密度较高等特点。这说明它是瞄准了卫星批量化、星座化发展的现实需求。

当然，卫星越扁，研制难度并不会越低。短短5厘米的厚度内，需要装入电源、测控、姿态控制、星载计算机、科学载荷以及各种线缆。结构刚度、设备散热、电磁兼容和装配精度都要重新考虑。

在地面上只是几厘米的尺寸误差，进入轨道后就可能转化为姿态晃动、结构变形，甚至设备失效。紫丁香三号要验证的超扁平力热一体化平台，核心任务之一，就是弄清这种极薄构型能否经受火箭发射时的振动、冲击和噪声，并在冷热交替的太空环境中稳定工作。

紫丁香三号最值得关注的试验，是利用稀薄大气进行姿态和轨道控制。很多人印象中的太空是一片彻底的真空，实际上，即使在数百公里高的近地轨道，仍然存在极其稀薄的大气分子。只是这里的空气密度远低于地面，人类无法呼吸，也不会形成普通意义上的风。

这些大气分子很少，却足以持续撞击高速飞行的卫星。近地轨道卫星的速度通常达到每秒数公里，如此高的速度下，再稀薄的空气也会产生阻力。卫星飞得越低，阻力越明显，轨道高度下降得也越快。

对于传统卫星而言，大气阻力通常是一种需要抵消的干扰。卫星必须消耗推进剂抬升轨道，姿态控制系统也要不断修正气动力带来的偏转。

紫丁香三号则准备换一种思路，把这种干扰变成可以利用的力量。圆盘卫星正面对着飞行方向时，迎风面积较大，受到的阻力也更强。稍微转动卫星，使圆盘倾斜，迎风面积就会改变。气流作用位置发生变化后，还会在卫星上产生微小的转动力矩。

通过精确调整卫星姿态，便有可能改变阻力大小和受力方向，实现姿态控制，并对轨道运动产生影响。由于太空中的气体密度非常低，卫星需要依靠高灵敏度传感器和控制算法，才能捕捉并利用这些极微弱的力。

相关航天研究通常把450公里以下的轨道称为超低轨或甚低地球轨道，在这一高度范围内，大气阻力既是限制卫星寿命的重要因素，也为气动力姿态控制、编队调节和无推进剂离轨提供了新的可能。已有研究显示，合理设计卫星外形和气动控制面，可以让卫星在超低轨利用大气力矩完成部分姿态机动，降低对反作用飞轮和推进剂的依赖。

紫丁香三号将首次在轨验证超扁平构型以及超低轨气动力辅助姿态控制，如果试验达到预期，未来卫星或许可以在执行任务时减少燃料消耗，在任务结束后主动增大阻力，更快进入大气层烧毁，降低长期滞留轨道形成太空碎片的风险。

紫丁香三号不仅要验证卫星平台，它还是一颗科学试验卫星。其主载荷是一套低频电磁波探测设备，主要研究电离层等离子体波动，以及人工甚低频信号从地面向太空传播的规律。

甚低频通常指频率为3千赫至30千赫的电磁波，由于频率低、波长很长，这类信号可以沿着地球表面和电离层之间的空间传播很远，也能够在一定条件下穿过电离层，进入更高处的等离子体环境。

地面上的甚低频发射台常被用于远距离通信和导航，它们发出的信号进入电离层和磁层后，会受到电子密度、地球磁场、昼夜变化以及太阳活动的影响。

卫星在太空中接收这些信号，相当于给地球附近的等离子体环境做一次特殊的扫描。通过研究信号强度、传播方向和频率变化，科学家可以分析电离层结构，了解地面电磁波如何进入近地空间，还能研究电磁波与高能粒子的相互作用。

这种研究距离日常生活并不遥远，电离层会影响短波通信、卫星导航和无线电传播。太阳耀斑等空间天气事件发生后，电离层电子密度可能迅速变化，进而造成通信质量下降或导航误差增大。

紫丁香三号携带的低频电磁波探测载荷，可以帮助研究人员积累更多在轨数据，为理解电离层变化和地面电磁信号的天地传播过程提供新的依据。

哈工大紫丁香学生微纳卫星团队成立于2012年，是我国较早由大学生深度参与卫星设计、研制和运行管理的团队。此前，他们已经完成紫丁香二号、紫丁香一号和阿斯图友谊号等卫星项目。

紫丁香二号于2015年发射，是我国首颗由高校学生自主设计、研制和管控的纳卫星。紫丁香一号于2017年升空，参与国际QB50科学计划。2024年发射的阿斯图友谊号由中俄高校学生联合研制，参与成员中超过六成为本科生，卫星总师和各分系统主任设计师也主要由学生担任。