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日前，天舟一号货运飞船按计划与天宫二号空间实验室完成分离，并择机释放立方体卫星（简称立方星）。近期，欧洲航天局也着手开发立方星探月项目。什么是立方星？为什么人们现在热衷于“派”它上天？

随着微电子、微机械、纳米等技术的发展和卫星设计思想的创新，卫星正变得越来越小。按重量划分，500至1000千克的为小型卫星；100至500千克的叫微小卫星；10至100千克的是微型卫星；1至10千克的叫纳卫星；0.1至1千克的叫皮卫星；重量小于0.1千克的叫飞卫星。1999年，美国斯坦福大学教授汤姆·肯尼对皮卫星提出了一种新概念——立方星，其重量为1千克，体积为10厘米×10厘米×10厘米 （也叫1U）。由若干颗立方星（若干个U）可以组成立方体纳卫星。此后，这两种小卫星得到了飞速发展。

立方星或立方体纳卫星可广泛用于通信广播、对地观测、科技试验等各个领域。目前，世界上有多家研究机构与企业在专门研制、生产和供应标准化、模块化的立方星。仅几年时间，立方星就已从创新概念、系统设计、技术实现、飞行实验发展到具体空间应用，发射数量也快速攀升。不少国家通过立方星圆了“航天梦”。2013年，厄瓜多尔和秘鲁成功发射自主研制的立方体纳卫星，实现了本国首颗卫星的突破。

立方星技术的迅猛发展和发射方式增多，与其低成本密不可分。与建造成本动辄上亿美元的传统大卫星相比，立方星的成本可谓沧海一粟。目前，“一箭多星”发射已成为立方星发射的主流方式。今年，印度创造了“1箭104星”的世界纪录，其中大多数是立方星或立方体纳卫星。此种发射方式大大提高了发射利用率，降低了单星发射成本和进入太空的门槛，活跃了商业发射市场。

另外，立方星还可通过国际空间站机械臂附加的小卫星释放装置到太空。从国际空间站上释放的立方星振动更小，有助于降低设计难度和生产成本，并可充分利用有人参与的优势，在站上进行测试和一定程度的维修，甚至根据需求进行组装。

在立方星基础上还出现了手机卫星。所谓手机卫星就是以立方星为卫星平台，用智能手机进行控制的新型卫星。2013年2月，英国萨瑞卫星公司研制的全球第一颗智能手机卫星升空。它是一个3U的立方体纳卫星，除了太阳能电池板和推进系统外，它具有传统卫星的所有部件和功能，是全球第一个采用3D打印零件进入太空的航天器。

随着小卫星技术的日新月异，小卫星产业也逐渐成为世界航天活动高速发展的主要驱动力和重要发展领域，正孕育着未来航天发展的重大变革。但是，由于立方星寿命短、数量多，会产生较多空间垃圾，这也成为当前有关机构着力应对的问题。（庞之浩）

今天是太空与您相伴的【第584期】

从苏联发射第一颗人造地球卫星以来的60余年间，全球航天事业在运载火箭、人造地球卫星、载人航天、深空探测等领域取得了非凡成就。在卫星的发展上，伴随着航天工程降低成本、提高效益的强烈需求和信息技术的迭代，微小卫星迅速崛起。

什么是微小卫星？什么是立方星？

我们把重量在1000千克以下的人造卫星统称为“微小卫星”。它们进一步可以细分为：

“小卫星”（small satellite），重100～1000千克；

“微卫星”（microsatellite），重10～100千克；

“纳卫星”（nanosatellite），重1～10千克；

“皮卫星”（picosatellite），重0.1～1千克；

“飞卫星”（femtosatellite），重<0.1千克。

与过去动辄数吨的传统卫星相比，微小卫星具有体积小、重量轻、研制周期短、研发成本低、发射方式灵活等多种优势。

正是在卫星微型化的背景下，美国斯坦福大学研制了“绕轨皮卫星自动发射器”（OPAL），并于2000年初成功发射两颗皮卫星。被人们称为“小小精灵”的两颗皮卫星，每颗质量小于230克，尺寸仅为10.2cm×7.6cm×2.5cm。

在这个成功实践的鼓舞下，1999年，共同提出“立方星”概念的加州州立工业大学Jordi Puig-Suari教授和斯坦福大学Bob Twiggs教授，开始实际探索比皮卫星大一些、能提供更大实验能力的立方体构型卫星。Twiggs曾回忆说，他从零售商店一种“4英寸边长的豆宝宝公仔包装盒”得到了设计灵感，于是诞生了一个基本单元边长10厘米、重量仅1公斤的立方星。

立方星适配器／CoSats

自2003年第一批立方星升空以来，全世界至今已经发射了超过1000颗立方星。作为低成本进入空间的一种优质选择，立方星已成为微小卫星发展的主流，开启了一个新的卫星时代。

“标准化”的优势

2014年，立方星技术实用化获评“世界十大科技进展”。

标准化，是立方星的基本特征。首先，在卫星平台框架上，立方星以U（Unit）为基本单位，1U的体积是10cm×10cm×10cm，重量小于1.33kg。在以定制化开端的航天器设计领域，通用化、模块化从来是设计师们“多快好省”的理想。这一目标在立方星上率先实现了——标准化的基本平台，让卫星成了一种类似于乐高积木的组合体，大大简化了立方星的设计、测试、发射。

美国加州工业大学的标准1U（左） 和3U（右）立方星

1U、3U、6U的立方星都很常见。中国发射过的最大的立方星，是西北工业大学研制的12U立方星“翱翔之星”。12U，意味着这是一颗由12个基本单位构成的卫星。那么，立方星的规模有无上限？理论上讲，立方星可以由无数个Unit构成，体积可以无限大；但是，太大的立方星必将损失其相对于传统大卫星的成本优势。

标准化，还体现在其研制模式上。立方星大量使用商用货架产品（Commercial Off-The-Shelf, COTS），使得研制周期大幅缩短，开发成本大幅降低——与COTS产品相反的是，传统卫星研制要求的宇航级元器件，价格极贵，性能由于跟不上商用元器件，更新速度也大幅滞后。“翱翔之星”电源系统使用了常用于笔记本电脑的锂电池，而另一家中国立方星企业天仪研究院的“潇湘一号03星”上，相机载荷干脆是从某电商平台购得，45元包邮。这在过去都是不可想象的。

标准化不仅极大提升了立方星研制的效率，使得“卫星工厂”的设想愈发可实现，且大大降低了“上天”门槛，让更多机构和企业能够加入研发卫星、探索应用的队伍中来，让更多国家实现了自己的航天梦。

国际空间站释放立方星／NASA

与传统大卫星相比，立方星的发射方式也更加灵活多样。基本的发射方式包括以下几种：

第一，火箭搭载。一般搭载在火箭次级，通过适配器与火箭连接，发射入轨后立方星从适配器中弹出。

第二，国际空间站部署。送入国际空间站后，立方星通过机械臂吊舱释放。

还有其他不寻常的发射方式。2014年8月18日，俄罗斯宇航员在国际空间站执行出舱活动任务期间，手动释放了一颗叫做Chasqui-1的1U立方星。

宇航员手动释放立方星／NASA

从教育到商业

Jordi Puig-Suari和Bob Twiggs两位教授在1999年提出立方星概念时，仅仅把它当作大学生开展科学实验和技术验证的载体。我国的立方星研制，同样发端于教育。

2011年，欧盟发起立方星国际合作大科学计划——QB50计划，目标是对200～380km高度的地球低热层大气进行多点探测，并验证航天新技术以及实现广泛的航天工程教育。来自23个国家/地区的40余所大学、研究机构和公司参与了QB50计划，先后研制、发射了30多颗立方星。我国的西北工业大学、哈尔滨工业大学、南京理工大学和国防科学技术大学等高校也加入了这一计划，并成功发射了自己的立方星。

十多年过去，立方星的应用早已超越教育、学术领域，广泛应用于海洋、大气环境、船舶、航天、航空飞行器监测等，以及空间成像、通信、大气研究、生物学研究和新技术试验。大卫星的研制成本往往上亿元人民币，而立方星一般在数百万元。便宜、研制周期短、入轨快的立方星能单星工作，也能组网构建星座实现较高的空间分辨率和时间分辨率，从而在某些领域部分替代大卫星的作用。

更令人瞩目的是，立方星的应用范围已经不止于地球轨道。2018年5月5日，NASA的“洞察”号火星探测器发射升空，并于半年之后成功着陆火星。整个任务中，两枚叫做MarCO的6U立方星与洞察号同行，在火星任务风险最大的探测器进入、下降和着陆（EDL）阶段成功提供了中继通信支持。两星由JPL 设计制造，电源系统由双翼太阳电池翼和锂离子蓄电池组成，在地球附近功率为35W，在火星附近功率为17W。卫星携带的高增益X 频段天线为平板反射阵，能够以较低功耗实现地火之间的信息传输。

“洞察号“火星任务中的Marco立方星／NASA

Marco是第一组用于火星任务的立方星。而更多深空探测立方星即将出发。它们包括：在绕月飞行中通过反射太阳光来照亮月球深坑永久阴暗区的Lunar Flashlight，第一颗飞往地月拉格朗日点的立方星EQUULEUS，携带生物体、验证深空辐射环境对生物影响的Biosentinel，等等。

天文科学中的立方星

天文观测工具早已从陆基发展到了天基。基于在大气层外拍摄不受大气湍流的扰动等优势，空间望远镜的构想从上个世纪中期开始提出。

作为天文史上最重要的仪器，1990年4月升空的哈勃空间望远镜已在轨运行29年，成功弥补了地面观测的不足，大大拓展了人类在天文物理领域的认知。然而它的代价也是巨大的：发射时间比原计划推迟7年，花费47亿美金，长度12.2米（相当于一辆大校车），总重量将近11吨，多次由航天飞机派送宇航员上天对其部组件进行维修……如此庞大的天基观测平台如果能够用小卫星替代，其效益将是不可估量的。

MIT和JPL共同研制的ASTERIA卫星（前身为Exoplanetsat），就是这样一个小而美的天文项目。它的主要任务是验证立方星能否精确测量天体光度变化——这种变化，是寻找太阳系外行星的基本方法之一。ASTERIA只是一颗技术验证星，但与传统的大型空间望远镜相比，它很可能创造出一种新的空间望远镜模式，为未来立方星在天文学上的应用开辟出一条“经济适用型”道路。

工作人员安装ASTERIA的光学元件／NASA

另有一颗小小的6U立方星，被期待着用来回答一个大大的问题：人类通过观测宇宙微波背景辐射，得出了宇宙各种成分的含量——大约5% 的普通物质、25% 的暗物质和 70% 的暗能量。然而，将我们能观测到的构成恒星、行星、黑洞、气体和尘埃的物质加在一起，只占宇宙总量的一半。宇宙中另一半普通物质去哪儿了？一种说法是，丢失的物质可能在星系之间或星系周围光晕中的热气体里。

2018年5月，一颗由美国蓝峡谷科技公司制造、爱荷华大学管理的卫星HaloSat发射升空，两个月后从国际空间站部署入轨。它的任务是通过其携带的3个X射线探测器来研究环绕银河系热气体中的X射线，从而帮助科学家们寻找宇宙中丢失的物质。

HaloSat在轨一年观测成果

除此之外，还有立方星在寻找水。

我们所在的太阳系里，小行星是一类数量巨大、不可忽视的天体。一个共识是，小行星富含贵金属，并且其中大量小行星可能有水。这意味着，这些资源不仅可以为未来的跨星际生存人类提供氧气和水源，并且可以通过加工成为航天器的能源。这样一种超越地球的太空工业模式，将使得更远的深空飞行和人类生命的星际拓展成为可能。

尽管目前小行星资源采集的设想无法从商业上形成闭环，世界上仍然诞生了不少致力于小行星采矿的商业机构。尽管目前很多项目还停留在概念阶段，蓝图还是非常美好的。

立方星未来

10年前，因为平台较小、载荷能力有限，有人质疑：发射立方星跟往天上打个铁疙瘩区别大吗？立方星也曾被人们笑称为“玩具”。

而今天，从近地轨道到深空，立方星已皆有所用。作为低成本进入空间的一种优质选择，是不能忽视的趋势，并已经在遥感、通信等领域成为微小卫星发展的主流。

目前，我国的西工大、南京理工、国防科大、哈工大等高校，上海微小卫星工程中心、西安光机所等机构，以及天仪、微纳星空、星众空间等民营企业都具备了一定的立方星研制能力。由于起步较晚，我国在立方星的技术、应用上与国外尚有差距，正在奋力追赶！

来源 | 中国国家天文

编辑 | 牛煜峰

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