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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

作者 | 白瑞雪