進化的立方體衛星

---------這是第10期【遇見論文】---------

編者按：立方體衛星（CubeSat）的概念始於1999年，由時任加州州立理工大學的Jordi Puig-Suari教授和斯坦福大學的Bob Twiggs教授聯合提出。如今這種標準化、小型化、模塊化的衛星設計理念已經被越來越多的大學和工業部門所青睞。近日，來自俄羅斯的兩位科學家在Progress in Aerospace Sciences上發表綜述論文，全面回顧了立方體衛星的演變歷史，並深入分析探討了其用於執行未來空間科學任務的能力和約束。本期讓我們來見證立方體衛星的傳奇，看看它發展的歷史進程中都有什麼值得稱讚的故事。

論文標題CubeSat evolution: analyzing CubeSat capabilities for conducting science missions

論文作者Armen Poghosyan, Alessandro Golkar

發表期刊Progress in Aerospace Sciences

推薦人黨朝輝

進化的立方體衛星

傳統上，航天工業部門動用大量工程師、花費巨額經費，在政府主導的研究機構內研發和生產「大型先進」航天器。然而，在剛剛過去的二十年里，這種情形已經有所變化。越來越多的航天機構開始對小型化任務感興趣，而這得益於商業現貨產品（commercial-off-the-shelf）以及立方體衛星（CubeSat）概念的興起。

立方體衛星剛剛出現的時候，主要用於航天學科的教學工作以及低成本的技術驗證平台。由於尺寸較小、功能簡單，其研發製造一般只需要一到兩年時間即可完成，非常適合於大學生的課外科研工作。然而誰也沒想到，立方體衛星會變得越來越火。已經有很多嚴肅的空間科學任務準備採納立方體衛星作為任務平台，因為它確實有很高的科學回報和商業價值。不過，雖然火了，這並不意味著圍繞立方體衛星的諸多技術難題都解決了。立方體衛星畢竟在尺寸和結構上是有限制的，它到底能幹多少事，有沒有什麼約束，需要人們好好思考。這篇綜述就是來回答這些疑問的。除此以外，作者還對立方體衛星的關鍵技術、當前現狀以及潛在的應用領域進行了廣泛探討。

立方體衛星（CubeSat）的概念最早由加州州立理工大學的Jordi Puig-Suari教授和斯坦福大學的Bob Twiggs教授在1999年提出。他們對立方體衛星的定義是：衛星尺寸正好為一個10cm的立方體（10×10×10cm3）。這樣的尺寸稱作1U，其對應的重量大約為1.33kg。這種1U的立方體既可以作為一個獨立的衛星，也可以多個組合起來構成更大的衛星（例如6U、12U或27U），如圖1所示。採用這種標準化的設計理念有助於衛星發射的程序化和規範化。早期的立方體衛星主要由大學裡的教授和學生研製，如今則被工業部門廣泛採納。立方體衛星已經從早期的僅僅用於教學和技術驗證，逐步擴展到開展空間科學試驗以及商業應用。

圖1立方體衛星的尺寸定義

論文詳細考察了大約1200多個已發射或將要發射的立方體衛星任務。相關資料均來自那些發表的、並經過同行評議的科學論文、會議論文以及介紹相關任務的網頁，還有很多公開的衛星資料庫。論文對130多個具有較高科學價值的任務進行了重點分析，如表1所示。這些任務被分為6個類別，分別是：地球科學與天基應用、深空探索、太陽物理及空間天氣、天體物理學、天基原位實驗室（In Situ Laboratory）、技術驗證。

表1論文中分析的130個高價值立方體衛星任務

過去15年，小衛星領域經歷了爆炸式的快速增長，而這主要來自於微納衛星的貢獻，尤其是立方體衛星的貢獻。如圖2所示，論文對2000年以來1U到27U範圍內的立方體衛星的發射及預計發射情況進行了統計。由圖可知，立方體衛星的發射數量逐年快速增長。

圖2立方體衛星逐年發射情況及未來走勢

根據統計結果，截止2016年8月，總共有471個立方體衛星被發射升空，其中99%的發射任務是1U到3U的立方體衛星，如圖3所示。3U的立方體衛星所佔比重最大，大約為57%的份額；其次是1U的立方體衛星，大約為29%。到論文發表時為止，目前已發射的最大立方體衛星是中國的西北工業大學研發的「翱翔之星」，其尺寸為12U。作者認為，未來較大尺寸的立方體衛星（例如3U、6U、12U）以及由多個立方體衛星構成的衛星集群（satellite swarms）將是主要發展方向。

圖3不同尺寸立方體衛星的發射次數比較

論文從結構、電源、推進、制導導航與控制、通信、指令及數據處理、熱控等七個方面對立方體衛星的關鍵技術進行了分析。論文還從6個主要應用領域對立方體衛星的載荷進行了討論，並對這些載荷如何完成人們感興趣的空間科學實驗進行了分析。

由於分散式衛星系統在空間科學實驗中具有諸多優勢，採用立方體衛星構成編隊（formation）、星座（constellation）或集群（swarm）的分散式飛行設計方案逐年增多。論文列舉了CANX-4&5、Nodes-A,B、VELOX-II等多個典型實例。作者認為，採用多個小型化的立方體衛星構成編隊飛行即可實現過去昂貴的大型航天器才能實現的功能。例如，在AAReST任務中，通過發射2個3U的「鏡星」（MirrorSat）和1個15U的「核星」（CoreSat），即可實現在軌自主組裝成一個大型天基望遠鏡。一種典型的分散式方案叫做分離模塊化方案，在這種方案中，傳統的整體式航天器（monolithic spacecraft）變成了一堆彼此物理分離但功能完整（通過無線電或能量保持連接）的分離模塊航天器（fractionated spacecraft），如圖5所示。分離模塊航天器，降低了系統研發的成本，提高了系統運行的魯棒性和安全性，相比整體式航天器具有更高的性價比。

圖5傳統航天器與分離模塊航天器的結構比較

顯然，立方體衛星已經成為航天領域裡一道靚麗的風景線。那些想要引領未來的科學家們，還在等什麼呢？快去了解了解這種新穎的衛星設計方案吧！（完）

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