8月25日在美国佛罗里达州肯尼迪航天中心拍摄的登月火箭“太空发射系统”

    在这一轮走向月球与火星的航天浪潮中，相信会有越来越多的企业，借助立方星这个产品范式，加入到深空探索的队伍里。

文/彭天放

编辑/乐艳娜

　　美国国家航空航天局（NASA）9月24日通报，“阿耳忒弥斯1号”无人绕月飞行任务将再次推迟。这是这项任务一月内第三次延期。

　　“阿耳忒弥斯”是美国政府2019年宣布的新登月计划，最初计划2024年前将美国宇航员再次送上月球。由于预算不足等原因，NASA去年11月宣布，美国宇航员重返月球可能比原计划推迟一年，最早于2025年登月。在宇航员登月前，计划进行代号为“阿耳忒弥斯1号”的无人绕月飞行测试和代号为“阿耳忒弥斯2号”的载人绕月飞行测试。

　　按照计划，执行无人绕月任务的新一代登月火箭“太空发射系统”原定8月29日第一次发射，把“猎户座”无人飞船送入绕月轨道，但当天因故障推迟；9月3日又因燃料泄漏故障取消发射。佛罗里达航天发射中心附近的海岸周围，数十万来自美国各地的观众再次失望而归。

　　被逐渐耗尽的，不只是美国公众的耐心，还有伴随这次首飞任务一同发射的10颗立方星的寿命。

立方星的诞生

　　这10颗卫星出现在“太空发射系统”火箭上的理由很简单：除了“猎户座”飞船之外，火箭上还有一些额外的、边边角角的空间可以使用，NASA因此征集了一批有意愿“搭便车”前往月球的卫星制造商。原本的计划是，在飞船接近月球与火箭分离后，这些卫星也逐颗脱离火箭，完成各自的任务。然而，由于首飞发射一拖再拖，这些卫星的电池都快耗尽。其中一些卫星的电池已经重新充电，还有一些因为设计和操作原因没有充电，只能把这些拖延的时间当作使用寿命进行折损。

　　有趣的是，NASA原本为这次发射选择了13个立方星任务，但其中3颗因为没能赶上当时预计发射的时间进度而“胎死腹中”，谁能想到发射竟一再推迟。

　　立方星是什么？其实，每年全球发射的卫星中，10%～20%都是立方星。如果排除每年发射上千颗卫星的“星链”计划，立方星在每年全球发射的卫星里占了将近一半。

　　作为卫星家族中的一类重要成员，立方星的诞生源自于从上世纪80～90年代开始的卫星小型化技术浪潮。

　　当时，美欧航天界受制于卫星高昂的成本、漫长的开发周期、苛刻的可靠性要求等问题，开始转变思路，探索一种体积更小、开发周期更短、价格更低的卫星方案。基于当时半导体、光学、机电技术在航天领域的进步，卫星的重量很快从动辄十几吨，下降到了几百公斤甚至更低。并且，行业里逐步诞生了微小卫星的完整分级：小型卫星（1000～100kg）、微型卫星（100～10kg）、纳型卫星（10～1kg）、皮型卫星（1～0.1kg）。

　　而随着卫星小型化技术在上世纪末的快速发展，卫星行业亟需一种新的范式，来规范化、标准化小卫星的开发过程，从而降低不同技术板块间的组合难度和摩擦成本。于是，美国加州理工学院的若迪·普伊格-苏阿里教授和斯坦福大学的鲍伯·特维格斯教授于1999年提出了立方星的概念。

　　这是一种标准化、模块化的开发理念。整个卫星的外观看起来像一个小方盒子：太阳能电池板贴在盒子表面，盒子里面是一层层插接在一起的电路板和卫星组件。通常来说，盒子内每一层的电路板负责不同的业务，有的负责供电，有的负责信号处理，有的负责姿态控制，等等。这种模块化的分工，以及标准化的结构约束，显著降低了卫星的开发难度。

　　由于立方星体积小、重量轻，把它发射上天通常只需要搭大型卫星的火箭“顺风车”，找个火箭整流罩里的边角位置放下即可。比起几吨重的大卫星，显著降低了卫星的发射成本，而发射成本的降低，又使得立方星可以接受更多的发射失败。于是，立方星上面没有必要使用昂贵的、高可靠性的航天级电子元器件。这又进一步地把卫星的成本拉低。如今，很多立方星上面使用的电子元器件，其制造工艺和成本，与手机里使用的器件差别不大，甚至可以这样理解：立方星就是一个飞在太空里、贴了太阳能板的手机/笔记本电脑。

　　一个标准的立方星体积单位叫做“1U”，也就是10cm×10cm×10cm的大小，重量一般不超过1.3公斤。比较简单的立方星规格大多都在1U至4U之间，功能复杂一些的（比如有对地拍摄、姿态控制等功能），大小可以达到6U到12U。而体积大于1U的立方星，经常就是由几个1U的功能模块像积木一样拼起来的。

角色正在升级

　　立方星概念诞生之初，对于这么小的卫星究竟能实现多少有价值的功能，行业内其实并没有抱有太高的期待。立方星最早也是被当作教学工具和技术验证样机来提出的——即利用它便宜、敏捷开发的特性，帮助学生或工程师快速上手卫星开发，帮助一些技术模块快速上天验证。

　　2003年，全球第一批立方星成功发射。2003～2012年，立方星的发射数量保持在每年10～20枚。这一时期，立方星作为一种新的卫星开发范式，主要是开展空间演示试验，以小步快跑的方式迭代自身设计。但随着全球范围内商业航天的逐步火热，加上技术日益成熟，立方星的发射数量开始了井喷式增长：2013年79枚，2014年132枚……到今天，全球已累计发射约2000颗立方星，每年发射的数量一直维持在数百颗的水平。

　　伴随着数量的增多，立方星的角色也正在升级，从以前的教学、演示验证星，开始独立执行有价值的航天任务。比较有代表性的有美国的“空间天气实验”（CWWSE）、微型X射线太阳光谱项目以及欧洲牵头实施的QB50项目等。

　　具体来说，CSSWE测量了地球辐射带上的高能质子和电子通量，首次通过实验测量直接探测到了被称为宇宙线反照中子衰变的物理过程，相关成果发表在《自然》杂志上。国内的清华大学也有名为“天格计划”的学生团队，计划用10到30颗立方星在500～600公里的低地球轨道进行组网，搭建全天伽马射线监视网络，相关成果在中国天文学年会、国际空间科学大会（COSPAR）等国内外学术会议上进行报告。这些进展使得立方星逐步进入主流卫星的行列。

　　受到立方星成本低、成效快的鼓舞，NASA陆续发起了一系列倡议、挑战赛等活动，推动立方星用于空间科学研究和相应的技术开发。其中的“立方星发射倡议”中，立方星用于科学研究的比例已近50%。2018年，“火星立方星一号”A和B还与“洞察号”同行，开始了立方星的首次深空探测任务。作为配套的观测平台，它们将“洞察号”进入火星大气时的数据直接发回地球。

提升了全球航天市场的活力和效率

　　火星任务的成功显然进一步鼓舞了NASA让立方星走向深空的信心。这次被“耽误”的10颗立方星，都是为配合“阿尔忒弥斯”新登月计划而设置。这一计划的最终阶段很可能是要在月球建立永久或者半永久的人类驻留点，10颗立方星大部分都瞄准了月球环境探测、生物适应性测试等任务。

　　比如其中一个叫做月球氢图（Luna H-Map）的立方星，计划绘制整个月球南极的氢含量；再比如一个叫做生物哨兵（BioSentinel）的立方星，负责调查深空辐射对生物体的影响。

　　考虑到月球以及深空探测的发射成本更高，缩小卫星体积的需求更加迫切。这使得未来更多的月球探测卫星会以立方星的形态出现。值得注意的是，本次搭载的这10颗卫星其中有5颗来自商业机构，开发者包括大型军工企业洛克希德·马丁和其他一些科技初创企业。

　　总体上，立方星以低成本、快速迭代的优势，降低了卫星研发的门槛，在过去10年里已吸引了大量商业机构进入航天市场，一定程度上提升了全球航天市场的活力和效率。正如商业的力量驱动着欧洲人走向美洲的大航海时代一样，在这一轮走向月球与火星的航天浪潮中，相信会有越来越多的企业，借助立方星这个产品范式，加入到深空探索的队伍里。

　　（作者系清华大学精密仪器系博士）

来源：2022年10月5日出版的《环球》杂志 第20期

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