從蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星以來的60余年間，全球航天事業(yè)在運(yùn)載火箭、人造地球衛(wèi)星、載人航天、深空探測等領(lǐng)域取得了非凡成就。在衛(wèi)星的發(fā)展上，伴隨著航天工程降低成本、提高效益的強(qiáng)烈需求和信息技術(shù)的迭代，微小衛(wèi)星迅速崛起。

什么是微小衛(wèi)星？什么是立方星？

我們把重量在1000千克以下的人造衛(wèi)星統(tǒng)稱為“微小衛(wèi)星”。它們進(jìn)一步可以細(xì)分為：

“小衛(wèi)星”（small satellite），重100～1000千克；

“微衛(wèi)星”（microsatellite），重10～100千克；

“納衛(wèi)星”（nanosatellite），重1～10千克；

“皮衛(wèi)星”（picosatellite），重0.1～1千克；

“飛衛(wèi)星”（femtosatellite），重<0.1千克。

與過去動(dòng)輒數(shù)噸的傳統(tǒng)衛(wèi)星相比，微小衛(wèi)星具有體積小、重量輕、研制周期短、研發(fā)成本低、發(fā)射方式靈活等多種優(yōu)勢。

正是在衛(wèi)星微型化的背景下，美國斯坦福大學(xué)研制了“繞軌皮衛(wèi)星自動(dòng)發(fā)射器”（OPAL），并于2000年初成功發(fā)射兩顆皮衛(wèi)星。被人們稱為“小小精靈”的兩顆皮衛(wèi)星，每顆質(zhì)量小于230克，尺寸僅為10.2cm×7.6cm×2.5cm。

在這個(gè)成功實(shí)踐的鼓舞下，1999年，共同提出“立方星”概念的加州州立工業(yè)大學(xué)Jordi Puig-Suari教授和斯坦福大學(xué)Bob Twiggs教授，開始實(shí)際探索比皮衛(wèi)星大一些、能提供更大實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ牧⒎襟w構(gòu)型衛(wèi)星。Twiggs曾回憶說，他從零售商店一種“4英寸邊長的豆寶寶公仔包裝盒”得到了設(shè)計(jì)靈感，于是誕生了一個(gè)基本單元邊長10厘米、重量僅1公斤的立方星。

自2003年第一批立方星升空以來，全世界至今已經(jīng)發(fā)射了超過1000顆立方星。作為低成本進(jìn)入空間的一種優(yōu)質(zhì)選擇，立方星已成為微小衛(wèi)星發(fā)展的主流，開啟了一個(gè)新的衛(wèi)星時(shí)代。

“標(biāo)準(zhǔn)化”的優(yōu)勢

2014年，立方星技術(shù)實(shí)用化獲評“世界十大科技進(jìn)展”。

標(biāo)準(zhǔn)化，是立方星的基本特征。首先，在衛(wèi)星平臺框架上，立方星以U（Unit）為基本單位，1U的體積是10cm×10cm×10cm，重量小于1.33kg。在以定制化開端的航天器設(shè)計(jì)領(lǐng)域，通用化、模塊化從來是設(shè)計(jì)師們“多快好省”的理想。這一目標(biāo)在立方星上率先實(shí)現(xiàn)了——標(biāo)準(zhǔn)化的基本平臺，讓衛(wèi)星成了一種類似于樂高積木的組合體，大大簡化了立方星的設(shè)計(jì)、測試、發(fā)射。

1U、3U、6U的立方星都很常見。中國發(fā)射過的最大的立方星，是西北工業(yè)大學(xué)研制的12U立方星“翱翔之星”。12U，意味著這是一顆由12個(gè)基本單位構(gòu)成的衛(wèi)星。那么，立方星的規(guī)模有無上限？理論上講，立方星可以由無數(shù)個(gè)Unit構(gòu)成，體積可以無限大；但是，太大的立方星必將損失其相對于傳統(tǒng)大衛(wèi)星的成本優(yōu)勢。

標(biāo)準(zhǔn)化，還體現(xiàn)在其研制模式上。立方星大量使用商用貨架產(chǎn)品（Commercial Off-The-Shelf, COTS），使得研制周期大幅縮短，開發(fā)成本大幅降低——與COTS產(chǎn)品相反的是，傳統(tǒng)衛(wèi)星研制要求的宇航級元器件，價(jià)格極貴，性能由于跟不上商用元器件，更新速度也大幅滯后。“翱翔之星”電源系統(tǒng)使用了常用于筆記本電腦的鋰電池，而另一家中國立方星企業(yè)天儀研究院的“瀟湘一號03星”上，相機(jī)載荷干脆是從某電商平臺購得，45元包郵。這在過去都是不可想象的。

標(biāo)準(zhǔn)化不僅極大提升了立方星研制的效率，使得“衛(wèi)星工廠”的設(shè)想愈發(fā)可實(shí)現(xiàn)，且大大降低了“上天”門檻，讓更多機(jī)構(gòu)和企業(yè)能夠加入研發(fā)衛(wèi)星、探索應(yīng)用的隊(duì)伍中來，讓更多國家實(shí)現(xiàn)了自己的航天夢。

與傳統(tǒng)大衛(wèi)星相比，立方星的發(fā)射方式也更加靈活多樣?；镜陌l(fā)射方式包括以下幾種：

第一，火箭搭載。一般搭載在火箭次級，通過適配器與火箭連接，發(fā)射入軌后立方星從適配器中彈出。

第二，國際空間站部署。送入國際空間站后，立方星通過機(jī)械臂吊艙釋放。

還有其他不尋常的發(fā)射方式。2014年8月18日，俄羅斯宇航員在國際空間站執(zhí)行出艙活動(dòng)任務(wù)期間，手動(dòng)釋放了一顆叫做Chasqui-1的1U立方星。

從教育到商業(yè)

Jordi Puig-Suari和Bob Twiggs兩位教授在1999年提出立方星概念時(shí)，僅僅把它當(dāng)作大學(xué)生開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)驗(yàn)證的載體。我國的立方星研制，同樣發(fā)端于教育。

2011年，歐盟發(fā)起立方星國際合作大科學(xué)計(jì)劃——QB50計(jì)劃，目標(biāo)是對200～380km高度的地球低熱層大氣進(jìn)行多點(diǎn)探測，并驗(yàn)證航天新技術(shù)以及實(shí)現(xiàn)廣泛的航天工程教育。來自23個(gè)國家/地區(qū)的40余所大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和公司參與了QB50計(jì)劃，先后研制、發(fā)射了30多顆立方星。我國的西北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、南京理工大學(xué)和國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)等高校也加入了這一計(jì)劃，并成功發(fā)射了自己的立方星。

十多年過去，立方星的應(yīng)用早已超越教育、學(xué)術(shù)領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于海洋、大氣環(huán)境、船舶、航天、航空飛行器監(jiān)測等，以及空間成像、通信、大氣研究、生物學(xué)研究和新技術(shù)試驗(yàn)。大衛(wèi)星的研制成本往往上億元人民幣，而立方星一般在數(shù)百萬元。便宜、研制周期短、入軌快的立方星能單星工作，也能組網(wǎng)構(gòu)建星座實(shí)現(xiàn)較高的空間分辨率和時(shí)間分辨率，從而在某些領(lǐng)域部分替代大衛(wèi)星的作用。

更令人矚目的是，立方星的應(yīng)用范圍已經(jīng)不止于地球軌道。2018年5月5日，NASA的“洞察”號火星探測器發(fā)射升空，并于半年之后成功著陸火星。整個(gè)任務(wù)中，兩枚叫做MarCO的6U立方星與洞察號同行，在火星任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)最大的探測器進(jìn)入、下降和著陸（EDL）階段成功提供了中繼通信支持。兩星由JPL 設(shè)計(jì)制造，電源系統(tǒng)由雙翼太陽電池翼和鋰離子蓄電池組成，在地球附近功率為35W，在火星附近功率為17W。衛(wèi)星攜帶的高增益X 頻段天線為平板反射陣，能夠以較低功耗實(shí)現(xiàn)地火之間的信息傳輸。

Marco是第一組用于火星任務(wù)的立方星。而更多深空探測立方星即將出發(fā)。它們包括：在繞月飛行中通過反射太陽光來照亮月球深坑永久陰暗區(qū)的Lunar Flashlight，第一顆飛往地月拉格朗日點(diǎn)的立方星EQUULEUS，攜帶生物體、驗(yàn)證深空輻射環(huán)境對生物影響的Biosentinel，等等。

天文科學(xué)中的立方星

天文觀測工具早已從陸基發(fā)展到了天基。基于在大氣層外拍攝不受大氣湍流的擾動(dòng)等優(yōu)勢，空間望遠(yuǎn)鏡的構(gòu)想從上個(gè)世紀(jì)中期開始提出。

作為天文史上最重要的儀器，1990年4月升空的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡已在軌運(yùn)行29年，成功彌補(bǔ)了地面觀測的不足，大大拓展了人類在天文物理領(lǐng)域的認(rèn)知。然而它的代價(jià)也是巨大的：發(fā)射時(shí)間比原計(jì)劃推遲7年，花費(fèi)47億美金，長度12.2米（相當(dāng)于一輛大校車），總重量將近11噸，多次由航天飛機(jī)派送宇航員上天對其部組件進(jìn)行維修……如此龐大的天基觀測平臺如果能夠用小衛(wèi)星替代，其效益將是不可估量的。

MIT和JPL共同研制的ASTERIA衛(wèi)星（前身為Exoplanetsat），就是這樣一個(gè)小而美的天文項(xiàng)目。它的主要任務(wù)是驗(yàn)證立方星能否精確測量天體光度變化——這種變化，是尋找太陽系外行星的基本方法之一。ASTERIA只是一顆技術(shù)驗(yàn)證星，但與傳統(tǒng)的大型空間望遠(yuǎn)鏡相比，它很可能創(chuàng)造出一種新的空間望遠(yuǎn)鏡模式，為未來立方星在天文學(xué)上的應(yīng)用開辟出一條“經(jīng)濟(jì)適用型”道路。

另有一顆小小的6U立方星，被期待著用來回答一個(gè)大大的問題：人類通過觀測宇宙微波背景輻射，得出了宇宙各種成分的含量——大約5% 的普通物質(zhì)、25% 的暗物質(zhì)和 70% 的暗能量。然而，將我們能觀測到的構(gòu)成恒星、行星、黑洞、氣體和塵埃的物質(zhì)加在一起，只占宇宙總量的一半。宇宙中另一半普通物質(zhì)去哪兒了？一種說法是，丟失的物質(zhì)可能在星系之間或星系周圍光暈中的熱氣體里。

2018年5月，一顆由美國藍(lán)峽谷科技公司制造、愛荷華大學(xué)管理的衛(wèi)星HaloSat發(fā)射升空，兩個(gè)月后從國際空間站部署入軌。它的任務(wù)是通過其攜帶的3個(gè)X射線探測器來研究環(huán)繞銀河系熱氣體中的X射線，從而幫助科學(xué)家們尋找宇宙中丟失的物質(zhì)。

除此之外，還有立方星在尋找水。

我們所在的太陽系里，小行星是一類數(shù)量巨大、不可忽視的天體。一個(gè)共識是，小行星富含貴金屬，并且其中大量小行星可能有水。這意味著，這些資源不僅可以為未來的跨星際生存人類提供氧氣和水源，并且可以通過加工成為航天器的能源。這樣一種超越地球的太空工業(yè)模式，將使得更遠(yuǎn)的深空飛行和人類生命的星際拓展成為可能。

盡管目前小行星資源采集的設(shè)想無法從商業(yè)上形成閉環(huán)，世界上仍然誕生了不少致力于小行星采礦的商業(yè)機(jī)構(gòu)。盡管目前很多項(xiàng)目還停留在概念階段，藍(lán)圖還是非常美好的。

立方星未來

10年前，因?yàn)槠脚_較小、載荷能力有限，有人質(zhì)疑：發(fā)射立方星跟往天上打個(gè)鐵疙瘩區(qū)別大嗎？立方星也曾被人們笑稱為“玩具”。

而今天，從近地軌道到深空，立方星已皆有所用。作為低成本進(jìn)入空間的一種優(yōu)質(zhì)選擇，是不能忽視的趨勢，并已經(jīng)在遙感、通信等領(lǐng)域成為微小衛(wèi)星發(fā)展的主流。

目前，我國的西工大、南京理工、國防科大、哈工大等高校，上海微小衛(wèi)星工程中心、西安光機(jī)所等機(jī)構(gòu)，以及天儀、微納星空、星眾空間等民營企業(yè)都具備了一定的立方星研制能力。由于起步較晚，我國在立方星的技術(shù)、應(yīng)用上與國外尚有差距，正在奮力追趕！

來源 | 中國國家天文

作者 | 白瑞雪