立方體衛(wèi)星正在促進(jìn)太空工業(yè)模式的轉(zhuǎn)變

王景泉 （北京空間科技信息研究所）

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立方體衛(wèi)星正在促進(jìn)太空工業(yè)模式的轉(zhuǎn)變

王景泉 （北京空間科技信息研究所）

自從1999年美國加州工藝技術(shù)大學(xué)（CalPoly）和斯坦福大學(xué)提出了立方體衛(wèi)星概念以后，逐漸出現(xiàn)了立方體衛(wèi)星的發(fā)展熱潮。特別是2013年至今，已進(jìn)入開發(fā)面向市場的決定性階段。2014年全世界共成功發(fā)射了131顆立方體衛(wèi)星，其中有大約100顆已投入商業(yè)運(yùn)行，到2016年，立方體衛(wèi)星的發(fā)射數(shù)量可能會超過240顆。由于立方體衛(wèi)星體現(xiàn)了低成本、快速研制和應(yīng)用效果好等優(yōu)勢，該類型的衛(wèi)星很快就突破教學(xué)、技術(shù)試驗的范圍，沖向遙感、科學(xué)、通信、深空探測等太空系統(tǒng)主流應(yīng)用領(lǐng)域。

1 微納皮衛(wèi)星的范圍及立方體衛(wèi)星的概念

籠統(tǒng)地說，從質(zhì)量角度，微納皮衛(wèi)星包括立方體衛(wèi)星，而立方體衛(wèi)星卻不能完全包括微納皮衛(wèi)星。

微納皮衛(wèi)星與立方體衛(wèi)星的質(zhì)量劃分

目前國外大部分文獻(xiàn)關(guān)于微納皮衛(wèi)星的分類，主要以質(zhì)量區(qū)分，即皮衛(wèi)星0.1～1kg，納衛(wèi)星1～10kg，微衛(wèi)星10～100kg。微納皮衛(wèi)星沒有明確的形狀和體積等要求，屬于上述哪種質(zhì)量范圍，就歸于哪種衛(wèi)星。

關(guān)于立方體衛(wèi)星（CubeSat）的概念，顧名思義是立方體形狀的衛(wèi)星，即有嚴(yán)格的形狀限制。一般定義為體積在10cm×10cm×10cm、質(zhì)量在1kg左右的標(biāo)準(zhǔn)衛(wèi)星為一個立方體衛(wèi)星的基本單元（U）。立方體衛(wèi)星可根據(jù)需要搭成由多個立方體單元組成的積木式衛(wèi)星，已經(jīng)出現(xiàn)1.5U、2U、3U、6U、12U（20kg）甚至27U的立方體衛(wèi)星設(shè)計?；締卧║）的尺寸也由立方體1個維度的尺寸增加，拓展到3個維度的尺寸都同時增加，但前題是必須保持立方體的基本形狀。

微納皮衛(wèi)星與立方體衛(wèi)星的聯(lián)系與區(qū)別

由于開始定義了立方體衛(wèi)星1U約為1kg的界限，因此初期立方體衛(wèi)星也往往被稱為皮衛(wèi)星或納衛(wèi)星，原因是立方體衛(wèi)星的基本單元（U）的質(zhì)量（1kg）既是皮衛(wèi)星的上限，又是納衛(wèi)星的下限。但由于出現(xiàn)了12U（20kg）甚至27U的立方體衛(wèi)星，20kg以上的質(zhì)量顯然已經(jīng)超出納衛(wèi)星的質(zhì)量范圍，進(jìn)入微衛(wèi)星10～100kg的范圍。因此從質(zhì)量上看，立方體衛(wèi)星貫穿于微納皮3種衛(wèi)星類型，最小的立方體衛(wèi)星可進(jìn)入皮衛(wèi)星范圍，大些的多單元立方體衛(wèi)星可進(jìn)入納衛(wèi)星甚至微衛(wèi)星范圍。所不同的是，立方體衛(wèi)星是微納皮衛(wèi)星的特殊形式，即立方體衛(wèi)星是微納皮衛(wèi)星中特定的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計衛(wèi)星，立方體衛(wèi)星不但產(chǎn)品的通用性強(qiáng)，而且立方體的形狀也利于多星壘集同時發(fā)射。一般說來，初期的立方體衛(wèi)星大多在長度這一維度上增加，因此更多的是長方體衛(wèi)星。外形的立方體標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，較方便于作為二次有效載荷連接釋放器進(jìn)行軌道部署。從這個意義上說，如果不是按立方體衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，即使在立方體衛(wèi)星的質(zhì)量范圍內(nèi)，也只能稱作微納皮衛(wèi)星而不能稱作立方體衛(wèi)星。如美國陸軍太空和導(dǎo)彈防御司令部（SMDC）2011年發(fā)射的“鷹眼”（KESTREL EYE）電子光學(xué)偵察衛(wèi)星，雖然質(zhì)量也是10kg，但不是立方體衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，只能屬于微納皮衛(wèi)星。

可以說立方體衛(wèi)星是貫穿于微納皮衛(wèi)星質(zhì)量范圍的標(biāo)準(zhǔn)化平臺，特別是近年來微納皮衛(wèi)星之所以得到快速發(fā)展，在很大程度上得益于立方體衛(wèi)星的新設(shè)計思路。近來立方體衛(wèi)星出現(xiàn)了3個維度都增加的設(shè)計，有可能使立方體衛(wèi)星更快走上較大型平臺的發(fā)展階段。如2014年8月，中國用長征-4B發(fā)射高分-2時，搭載的波蘭“亮星目標(biāo)探測器-波蘭-2”，質(zhì)量7kg，尺寸20cm×20cm×20cm，長、寬、高3個維度均增加一倍，而不是初期立方體衛(wèi)星只在一個維度增加的設(shè)計。從質(zhì)量上看，它屬于納星，但由于屬于嚴(yán)格的立方體衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)尺寸設(shè)計，仍稱為立方體衛(wèi)星。美國新的“赫拉”立方體衛(wèi)星系統(tǒng)，基于12U的設(shè)計，3個維度均有改變，是24cm×24cm×36cm尺寸的立方體形狀，也是3個維度都增加的立方體衛(wèi)星設(shè)計。這是新出現(xiàn)的大型立方體衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)尺寸樣式，這樣既加大了衛(wèi)星發(fā)展的空間，又便于搭載使用標(biāo)準(zhǔn)化釋放裝置，適合作為二級有效載荷發(fā)射。

目前國際宇航科學(xué)院（IAA）和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）也開展了關(guān)于這種微納皮衛(wèi)星的定義和設(shè)計要求的研究。為了更準(zhǔn)確地定義這些衛(wèi)星，IAA研究組提出了新詞“精瘦衛(wèi)星”（Lean Satellite）的定義。定義微納皮衛(wèi)星，即采用非傳統(tǒng)的、有一定風(fēng)險的研制途徑，實(shí)現(xiàn)只利用少量的隊伍實(shí)現(xiàn)低成本研制和快速交付。其定義還明確，“小”的概念不只是涉及到衛(wèi)星質(zhì)量輕、尺寸小，還要體現(xiàn)衛(wèi)星研制途徑簡單方便等特點(diǎn)。近年來，針對這種概念構(gòu)建微納皮衛(wèi)星大型星座和研制低成本運(yùn)載火箭的趨勢，歐美國家有的文獻(xiàn)也稱之為是一次“軌道革命”。由于立方體衛(wèi)星可以利用商用現(xiàn)貨產(chǎn)品（COTS）等開放資源進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化硬件設(shè)計，特別能促進(jìn)研制隊伍范圍的擴(kuò)大，又能低成本、快速交付，還可組成星座支持網(wǎng)絡(luò)式應(yīng)用，因此促成微納皮衛(wèi)星的快速發(fā)展，作為微納皮衛(wèi)星的生力軍，立方體衛(wèi)星具有研制日趨社會化、應(yīng)用個人化的態(tài)勢，甚至有可能重塑太空工業(yè)模式。

鑒于立方體衛(wèi)星是微納皮衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)化形式，更能體現(xiàn)微納皮衛(wèi)星的發(fā)展特點(diǎn)和優(yōu)勢，本文重點(diǎn)討論立方體衛(wèi)星。

“巨人”立方體衛(wèi)星 CAD 模型

2 立方體衛(wèi)星發(fā)展的主要動力

大學(xué)對立方體衛(wèi)星的開拓

有些大學(xué)較早提出了立方體衛(wèi)星的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如美國加州工藝技術(shù)大學(xué)（CalPoly）和斯坦福大學(xué)早在1999年就提出了立方體衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)。加州工藝技術(shù)州立大學(xué)當(dāng)時還研制了標(biāo)準(zhǔn)化工藝皮衛(wèi)星軌道部署器（PPOD），能夠釋放3U立方體衛(wèi)星包（含數(shù)顆3U立方體衛(wèi)星）。日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）此次也以皮衛(wèi)星軌道部署器（JPOD）參與和加州工藝技術(shù)州立大學(xué)、斯坦福大學(xué)太空系統(tǒng)開發(fā)實(shí)驗室（SSDL）的合作。大多數(shù)立方體衛(wèi)星計劃初期由大學(xué)提出并實(shí)施，目的是作為低成本的途徑用于宇航專業(yè)的學(xué)生獲得系統(tǒng)工程經(jīng)驗和熟悉衛(wèi)星研制的全過程。最早的立方體衛(wèi)星于2003年6月30日發(fā)射，包括日本東京工業(yè)大學(xué)立方體技術(shù)工程試驗衛(wèi)星-1（CUTE-1）、加拿大先進(jìn)納米衛(wèi)星試驗-1（CanX-1）、丹麥奧爾堡大學(xué)立方體衛(wèi)星-1 （AUU-1）等。此后，微納皮衛(wèi)星迅速發(fā)展，許多國家，特別是太空技術(shù)薄弱的國家，積極發(fā)展這種衛(wèi)星用于技術(shù)試驗，為2013年后形成發(fā)展熱潮、擴(kuò)大應(yīng)用范圍奠定了基礎(chǔ)。

技術(shù)進(jìn)步是立方體衛(wèi)星快速發(fā)展的基本動力

立方體衛(wèi)星代表了潛在的突破性技術(shù)，由此甚至可以尋找到太空技術(shù)體系中永久性的發(fā)展空間。立方體衛(wèi)星近幾年設(shè)想的和已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的快速發(fā)展，主要源于科學(xué)技術(shù)，特別是電子技術(shù)的迅速發(fā)展，源于衛(wèi)星有效載荷能力的巨大進(jìn)步。立方體衛(wèi)星不會完全代替大衛(wèi)星，在很多應(yīng)用領(lǐng)域仍是大衛(wèi)星的補(bǔ)充，但在某些應(yīng)用領(lǐng)域，快速的技術(shù)進(jìn)步卻使得立方體衛(wèi)星功能日漸強(qiáng)大，特別類似于當(dāng)年采用強(qiáng)大功能的個人計算機(jī)的低成本用戶代替單體大型計算平臺的趨勢。對于立方體衛(wèi)星系統(tǒng)，具有在整個項目全壽命周期實(shí)現(xiàn)投資和回報連續(xù)性的特點(diǎn)，這不但具有初期投資不高的好處，而且投資也與研制、試驗、飛行各個階段相匹配、協(xié)調(diào)，可以在項目期間和各個階段不斷修正，新技術(shù)也可以快速融入。

立方體衛(wèi)星快速發(fā)展所涉及的技術(shù)主要包括微電子、低功率通信、高效率太陽電池、低成本精密度組裝、高能量密度電池、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、高密度存儲、場編程門陣列、高效率電機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)、先進(jìn)材料、集成化光學(xué)系統(tǒng)、微型敏感器和微型流體技術(shù)等眾多門類，這些領(lǐng)域的快速技術(shù)進(jìn)步大大降低了立方體衛(wèi)星發(fā)展的技術(shù)和成本障礙。

微小型化和集成化技術(shù)大大加快了衛(wèi)星性能的快速提升。衛(wèi)星下行數(shù)據(jù)率和存儲能力每10年可提高一個數(shù)量級，地面采樣距離（GSD）的進(jìn)步也有類似的趨勢。采用新型結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，大大提高性能質(zhì)量比，有些衛(wèi)星性能質(zhì)量比也能達(dá)到每10年提高一個數(shù)量級的水平。尚未達(dá)到物理極限和具有突破性的新技術(shù)潛力的衛(wèi)星領(lǐng)域得到快速開發(fā)，電子壓縮技術(shù)不斷創(chuàng)造奇跡。采用多層太陽電池技術(shù)，效率可達(dá)44%以上，使得電源的產(chǎn)生與利用也處于快速增長態(tài)勢。由于在立方體衛(wèi)星上采用可展開式太陽電池帆板，電源的產(chǎn)生作為衛(wèi)星質(zhì)量的函數(shù)更是大幅增加。記憶存儲合金技術(shù)，可使展開機(jī)構(gòu)極大地降低質(zhì)量、體積和成本；由于硬件質(zhì)量大幅度降低，可膨脹式天線傳輸數(shù)據(jù)率提高的速度也十分驚人。近幾年幾乎所有的立方體衛(wèi)星的分系統(tǒng)都進(jìn)行著改進(jìn)。比如，由于采用小型化星跟蹤器和反作用輪，優(yōu)于1°的指向精度已經(jīng)成為可能。在最近的立方體衛(wèi)星設(shè)計中，包括X和Ka頻段的傳輸系統(tǒng)，其下行數(shù)據(jù)率已經(jīng)達(dá)到100Mbit/s。這種改進(jìn)推動了更先進(jìn)的立方體衛(wèi)星任務(wù)，并正在引起立方體衛(wèi)星和傳統(tǒng)衛(wèi)星的競爭。

諸如上述的技術(shù)發(fā)展，使得10年前為實(shí)現(xiàn)1m的空間分辨率，衛(wèi)星質(zhì)量至少要達(dá)到1000kg，如今質(zhì)量100kg的衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)這一空間分辨率并不困難。傳統(tǒng)上，衛(wèi)星個別部分的性能改進(jìn)后，只要質(zhì)量不變，就視為整顆衛(wèi)星性能得到了改進(jìn)。這樣一來，由于衛(wèi)星的局部和分系統(tǒng)都在爭相進(jìn)行改進(jìn)，越來越多的分系統(tǒng)都能不斷超過設(shè)計要求，大大促進(jìn)了整星性能的提升?，F(xiàn)在6U的立方體衛(wèi)星，已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)20m的空間分辨率，使得立方體衛(wèi)星越來越大，功能越來越強(qiáng)。當(dāng)然也有的公司在進(jìn)行市場需求分析后得出結(jié)論，如果突破了1m的地面采樣距離，再進(jìn)一步提高空間分辨率的商業(yè)空間就會越來越小，因此新趨勢是向質(zhì)量更輕的立方體衛(wèi)星發(fā)展，如行星實(shí)驗室等越來越多的公司目前把觀測分辨率限定為幾米，而將技術(shù)開發(fā)的重點(diǎn)放在如何降低衛(wèi)星的質(zhì)量上。

與所發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)量綜合考慮，這種衛(wèi)星所采用的技術(shù)以及所達(dá)到的性能在過去的10～15年間持續(xù)改進(jìn)，可預(yù)見未來這種改進(jìn)將會繼續(xù)。發(fā)展質(zhì)量較大的立方體衛(wèi)星的趨勢十分明顯，2009-2013年，70%的立方體衛(wèi)星低于3kg，而此后的2年，這種質(zhì)量的衛(wèi)星數(shù)量剛剛超過50%。2014-2016年，1～3kg的衛(wèi)星明顯減少，而2～4kg或以上的衛(wèi)星數(shù)量明顯增多。

3 立方體衛(wèi)星的主要優(yōu)勢和前景

最近幾年，立方體衛(wèi)星的發(fā)展發(fā)生著巨大轉(zhuǎn)變。僅僅幾年以前，立方體衛(wèi)星還主要用于教育計劃和技術(shù)試驗，今天這種衛(wèi)星已經(jīng)可以構(gòu)成分布式星座太空系統(tǒng)，進(jìn)入通信、遙感、科學(xué)和深空探測等主流應(yīng)用領(lǐng)域?，F(xiàn)在立方體衛(wèi)星的發(fā)展呈指數(shù)增長態(tài)勢，主要特點(diǎn)是低成本和快速交付。

立方體衛(wèi)星已經(jīng)進(jìn)入發(fā)展的快車道，沖出低谷后會出現(xiàn)更大的發(fā)展高潮

1999年開始引用立方體衛(wèi)星概念設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)立方體衛(wèi)星，結(jié)合快速出現(xiàn)的電子技術(shù)小型化、集成化，引領(lǐng)了立方體衛(wèi)星的快速發(fā)展。在此后的15年中，這種衛(wèi)星數(shù)量快速增加，2013、2014年達(dá)到最高峰。對于可預(yù)見的未來，市場需求將繼續(xù)增長。

近年立方體衛(wèi)星快速發(fā)展，逐年呈指數(shù)規(guī)律增加。2003-2012年近10年期間，全球大約發(fā)射300顆立方體衛(wèi)星，而在2013年-2014年6月不到2年時間，這種衛(wèi)星遠(yuǎn)超過之前10年的發(fā)射數(shù)量。

立方體衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量變化

全球立方體衛(wèi)星2010-2014年發(fā)射態(tài)勢

但2015年衛(wèi)星發(fā)射遇到了兩次重大事故，即2014年10月軌道-阿連特技術(shù)系統(tǒng)公司（簡稱軌道-ATK公司）的“安塔瑞斯”火箭發(fā)射“天鵝座”飛船和2015年6月太空探索技術(shù)公司的獵鷹-9火箭發(fā)射“龍”飛船兩次失敗，導(dǎo)致分別損失26顆、8顆立方體衛(wèi)星，使這一年的立方體衛(wèi)星發(fā)展嚴(yán)重受挫。

這兩家公司的火箭承擔(dān)了大部分微小衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)，軌道-ATK公司的“安塔瑞斯”火箭尤其關(guān)鍵，自2013年開始發(fā)射以來，該火箭發(fā)射的微納皮衛(wèi)星占總數(shù)的1/3，主要是通過飛船運(yùn)送立方體衛(wèi)星進(jìn)入“國際空間站”然后再釋放的形式完成。2015年11月，軌道-ATK公司“安塔瑞斯”火箭發(fā)射“天鵝座”飛船恢復(fù)飛行，同年12月，太空探索技術(shù)公司的獵鷹-9火箭發(fā)射“龍”飛船恢復(fù)飛行，有力促進(jìn)了立方體衛(wèi)星的發(fā)射?！皣H空間站”貨運(yùn)飛船恢復(fù)飛行后，立方體衛(wèi)星的發(fā)射數(shù)量會出現(xiàn)大幅度提升。加之其他運(yùn)載火箭的搭載和微小衛(wèi)星專用運(yùn)載火箭的發(fā)射， 2016年以后定會使立方體衛(wèi)星的研制和發(fā)射走出低谷，出現(xiàn)更大的發(fā)展高潮。

低成本和快速交付是立方體衛(wèi)星的基本優(yōu)勢

立方體衛(wèi)星使用商用現(xiàn)貨產(chǎn)品部件，較之使用抗輻射加固部件，衛(wèi)星研制時間縮短許多，商用現(xiàn)貨所支持的批量化生產(chǎn)不但可大大降低成本，而且批量使用可通過統(tǒng)計建模設(shè)計提高性能和可靠性，有的性能甚至超過使用抗輻射加固部件。特別是立方體衛(wèi)星使用的商用現(xiàn)貨產(chǎn)品電子部件，更支持標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計和批量制造，成為研制較低成本衛(wèi)星的重要途徑。對立方體衛(wèi)星的需求快速增加，獲得這些優(yōu)勢需要采用與傳統(tǒng)衛(wèi)星研制不同的設(shè)計、制造、項目管理思路，實(shí)現(xiàn)快速交付，發(fā)揮其快速投入運(yùn)行等優(yōu)勢，又可避免初期高投資等劣勢。

利用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，實(shí)現(xiàn)插拔式利用。立方體衛(wèi)星的發(fā)展速度甚至類似于計算機(jī)能力每18個月增長一倍的摩爾定律（Moore），今天立方體衛(wèi)星已經(jīng)能完成幾年前要求較大衛(wèi)星才能完成的功能。其低成本和快速研制周期使其可以快于已有的大衛(wèi)星系統(tǒng)獲得效益。

立方體衛(wèi)星組成星座形成強(qiáng)大功能，推動著更加迅猛的發(fā)展勢頭

通過大量建立衛(wèi)星星座，新的太空初創(chuàng)公司正在瞄準(zhǔn)突破傳統(tǒng)的太空工業(yè)模式，實(shí)現(xiàn)向全球用戶提供新業(yè)務(wù)和開辟新市場。這包括諸如圖像分析、資產(chǎn)跟蹤和高速數(shù)據(jù)連通等新應(yīng)用。特別是地球觀測，通過向農(nóng)業(yè)、礦業(yè)、災(zāi)害管理、森林和野生動植物、財經(jīng)業(yè)務(wù)等各行各業(yè)提供數(shù)據(jù)，而成為行業(yè)快速發(fā)展的關(guān)鍵驅(qū)動因素。

較之傳統(tǒng)大衛(wèi)星，立方體衛(wèi)星組成星座有非常明顯的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)優(yōu)勢。一般傳統(tǒng)的大衛(wèi)星，要求幾乎所有的錢要在所有投資回報到來以前花出。而對于立方體衛(wèi)星系統(tǒng)，錢只要花出，就會在其計劃的整個周期內(nèi)各階段連續(xù)地或多或少地產(chǎn)生效益。不但便宜，而且在整個計劃期間的研制、試驗、飛行過程可以進(jìn)行更加靈活的計劃調(diào)整，新技術(shù)也能快速融入。這樣，立方體衛(wèi)星的發(fā)展有可能重新塑造太空工業(yè)模式。這種微小型太空技術(shù)的發(fā)展有幾個關(guān)鍵優(yōu)勢：一是可用于對數(shù)據(jù)通信難以滿足的需求和關(guān)于全球信息的需求；二是降低質(zhì)量，大大降低發(fā)射成本和將日用電子產(chǎn)品裝進(jìn)太空系統(tǒng)；三是拓展新投資資源，特別是及時利用來自爆炸性發(fā)展的信息工業(yè)的投資。

低成本和快速交付帶來的尚需進(jìn)一步解決的問題是成功概率問題，從目前來看，立方體衛(wèi)星的任務(wù)成功率低于傳統(tǒng)衛(wèi)星，但組成星座就可以緩解單顆衛(wèi)星成功概率不高的問題。統(tǒng)計表明，質(zhì)量低于10kg的衛(wèi)星，成功發(fā)射以后，只有48%的衛(wèi)星能實(shí)現(xiàn)任務(wù)的成功。統(tǒng)計還發(fā)現(xiàn)，如果由大學(xué)或非航天制造機(jī)構(gòu)研制的這種衛(wèi)星質(zhì)量超過10kg，其成功率還可能有更大下降。但立方體衛(wèi)星除采用各種有效的方法解決可靠性問題外，主要發(fā)揮其以較低代價組成較大星座的獨(dú)特優(yōu)勢，顯著扭轉(zhuǎn)單星成功概率低的劣勢，低成本和快速交付甚至使得偶爾的發(fā)射失敗都不受大的影響。盡管單顆衛(wèi)星的成功率較低，但所設(shè)計的衛(wèi)星星座有這樣的特點(diǎn)，即一顆衛(wèi)星的故障并不一定導(dǎo)致整個衛(wèi)星星座的失效，因為可以采取備份的方式加以彌補(bǔ)。甚至對于單顆衛(wèi)星的計劃，也可通過允許任務(wù)中斷等設(shè)計，實(shí)現(xiàn)對成功概率低的緩解。雖然存在個別衛(wèi)星不能完成任務(wù)的時段，但設(shè)計上可以實(shí)現(xiàn)整個計劃仍然可以維持運(yùn)行。當(dāng)然即使采取此種策略，改進(jìn)單顆衛(wèi)星的可靠性仍然是重要的，這樣可以降低整個計劃成本，或節(jié)省采用備份的計劃流程投入，或者盡量避免暫時的衛(wèi)星任務(wù)中斷，挽救任務(wù)損失的風(fēng)險。低成本的特點(diǎn)很容易引起人們設(shè)想，立方體衛(wèi)星最終會像無線電、電視、計算機(jī)和移動電話那樣，具有個人擁有的方式，即個人可以擁有自己的立方體衛(wèi)星。

立方體衛(wèi)星發(fā)展向科學(xué)等廣度和深度拓展，越來越多國家加大支持力度

大學(xué)的立方體衛(wèi)星獲得了明顯效果，初創(chuàng)公司從中看到了前景和希望，發(fā)展勁頭加大。對于像美國這種發(fā)達(dá)國家，美國國家科學(xué)基金會（NSF）和美國航空航天局（NASA）都迅速調(diào)整發(fā)展策略，促進(jìn)開拓相關(guān)技術(shù)，并作為諸如地球遙感和大氣科學(xué)這些關(guān)鍵領(lǐng)域之間存在缺口的彌合途徑，加大支持力度。事實(shí)上美國國家研究委員會曾經(jīng)明確地建議，“要大力開發(fā)與多衛(wèi)星星座任務(wù)相關(guān)的甚小型衛(wèi)星和先進(jìn)的分系統(tǒng)”。

立方體衛(wèi)星的重要特點(diǎn)之一是在可容忍風(fēng)險的環(huán)境中發(fā)展，以此實(shí)現(xiàn)低成本地構(gòu)建國家科學(xué)技術(shù)特別是空間科學(xué)技術(shù)的有效途徑。立方體衛(wèi)星技術(shù)代表了目前空間科學(xué)研究模式的轉(zhuǎn)變，長期以來空間科學(xué)研究依靠昂貴的任務(wù)，導(dǎo)致預(yù)算超支、受政治影響的易變性以及復(fù)雜的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)等問題。立方體衛(wèi)星給了空間科學(xué)機(jī)構(gòu)相當(dāng)程度的自主性，這種衛(wèi)星平臺也是可靠的、有用的和高效費(fèi)比的空間科學(xué)研究手段。對于已經(jīng)具備航天能力的國家，只有創(chuàng)新才能引領(lǐng)更快的發(fā)展，立方體衛(wèi)星也是可支持創(chuàng)新的有活力的平臺。

直到立方體衛(wèi)星時代到來之前，只有傳統(tǒng)的空間發(fā)展國家，才有能力進(jìn)行太空的生命和生物科學(xué)研究。而對于發(fā)展中國家，可以說立方體衛(wèi)星為他們科學(xué)研究另辟蹊徑，使他們能夠獲得至今未知的太空獨(dú)特環(huán)境可以提供的發(fā)現(xiàn)，給這些發(fā)展中國家在地面突破空間科學(xué)的機(jī)會。另外，立方體衛(wèi)星的低門檻也有利于發(fā)展中國家利用已有的研究發(fā)展投資，走上一個快速有效的全新發(fā)展途徑。

初創(chuàng)公司沖擊潛在的市場，太空產(chǎn)業(yè)模式的巨大改變即將來臨

近幾年，開發(fā)立方體衛(wèi)星的初創(chuàng)公司大量涌現(xiàn)。比如，多年來氣象衛(wèi)星主要采取公益性氣象數(shù)據(jù)分發(fā)方式，但隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展逐漸細(xì)微化、定量化，下游經(jīng)濟(jì)體對氣象的需求也日益局部化和精細(xì)化，初創(chuàng)公司看到這一潛在市場，構(gòu)建新公司發(fā)展商業(yè)性立方體氣象衛(wèi)星星座，預(yù)示著這些初創(chuàng)公司將氣象預(yù)報從公益化推向商業(yè)化。將新出現(xiàn)的商業(yè)立方體星座數(shù)據(jù)融入氣象預(yù)報領(lǐng)域，不但能更好地保護(hù)生命和財產(chǎn)，支持新的和有創(chuàng)造力的氣象資源開發(fā)，能培育新的產(chǎn)業(yè)，減少政府投資，提升整個社會氣象預(yù)報的能力。新出現(xiàn)的地理光學(xué)公司（GeoOptics）、斯派爾公司（Spire）、行星智商公司（PlanetiQ）等使用導(dǎo)航定位衛(wèi)星無線電掩星技術(shù)進(jìn)行氣象預(yù)報，有可能成為氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)商業(yè)化的首批初創(chuàng)公司。

美國國家和軍事成像偵察，多年來，要么是由專用軍事衛(wèi)星提供，要么是政府買斷大公司的圖像數(shù)據(jù)。美國政府看到了立方體衛(wèi)星公司如雨后春筍般涌現(xiàn)，必將成為有巨大潛力的信息資源，國家和軍隊要不失時機(jī)地利用這一資源，圖像信息獲取模式必須盡快改變，因此國家地理空間情報局（NGA）較早就向有關(guān)初創(chuàng)公司提供“種子基金”予以支持，有的公司已經(jīng)進(jìn)行過飛行試驗，并將繼續(xù)擴(kuò)大應(yīng)用模式的全方位試驗，證明不但重訪周期會大大縮短，而且還會使成像偵察從長久以來的靜態(tài)圖像向動態(tài)視頻偵察拓展。

新升級的立方體衛(wèi)星

4 面臨的問題與挑戰(zhàn)

目前，立方體衛(wèi)星的發(fā)展趨勢正處于轉(zhuǎn)折點(diǎn)。主要表現(xiàn)在每年發(fā)射越來越多的立方體衛(wèi)星，越來越多和更有經(jīng)驗的制造商進(jìn)入這一領(lǐng)域，能使用更加先進(jìn)的技術(shù)，開拓更多應(yīng)用領(lǐng)域，特別是進(jìn)入商業(yè)市場。隨著立方體衛(wèi)星的迅猛發(fā)展，面臨的問題與挑戰(zhàn)也日益突出。

面對市場用戶，必須提升應(yīng)對更高要求的能力

立方體衛(wèi)星逐漸用于更高檔次的任務(wù)和需求，更多面對市場用戶，需要投入較多成本、更強(qiáng)的研制技能，以及提升管理能力，以應(yīng)對更高的市場要求。這就意味著衛(wèi)星研制者要提供較高等級的任務(wù)擔(dān)保，還要及時使用最新可以利用的技術(shù)，保持低成本、短周期和高性能的優(yōu)勢，使得立方體衛(wèi)星更具吸引力。對于任務(wù)擔(dān)保面臨新的挑戰(zhàn)，關(guān)鍵的計劃和技術(shù)驅(qū)動力是基于在各種不同的項目中研制立方體衛(wèi)星的經(jīng)驗來確定。現(xiàn)在這一領(lǐng)域的參與者更容易社會化，不一定局限于專業(yè)機(jī)構(gòu)和隊伍，某些項目的驅(qū)動力對于相對缺乏經(jīng)驗的隊伍承擔(dān)任務(wù)可能有更大的意義，但需要國家政策支持和營造社會環(huán)境。而對于更有經(jīng)驗的隊伍來說，不斷進(jìn)步的管理驅(qū)動力可以更快地引領(lǐng)較高概率的任務(wù)成功，提升應(yīng)用成效。通過對某些立方體衛(wèi)星系統(tǒng)關(guān)鍵特點(diǎn)的評估，可以發(fā)現(xiàn)，考慮利用高水平的創(chuàng)新能力和社會化參與后，可能更加適合面對市場的用戶。

仍需更大幅度地拓展技術(shù)進(jìn)步的空間

未來立方體衛(wèi)星所需的技術(shù)進(jìn)步仍有巨大發(fā)展空間。比如，編隊飛行等新模式，對姿軌控有更高的要求，甚至相關(guān)的分系統(tǒng)都需要進(jìn)行較大改進(jìn)。對于低地球軌道以遠(yuǎn)的任務(wù)，使用立方體衛(wèi)星有更多的關(guān)鍵技術(shù)需要開發(fā)，如熱控、電推進(jìn)、激光通信等很多關(guān)鍵技術(shù)尚需突破。由于某些立方體衛(wèi)星在低軌道運(yùn)行時的地面可視時間很短，就需要發(fā)展更多衛(wèi)星的星座，但軌道的擁擠和軌道碎片的增加，使得碰撞問題和軌道安全問題受到更高關(guān)注度，同時高分辨率大型光學(xué)系統(tǒng)的物理限制也需要突破微型展開技術(shù)等難題。要提高衛(wèi)星性能，必須把著眼點(diǎn)放在衛(wèi)星系統(tǒng)的每瓦、升和千克所能實(shí)現(xiàn)的性能上。立方體衛(wèi)星提高性能可有兩種途徑。一是研制更大規(guī)模和更高能力的系統(tǒng)，這樣，隨著技術(shù)的進(jìn)步，每顆衛(wèi)星上獲得的性能提高，基本符合摩爾定律。這種途徑已經(jīng)采用過多年，以最新的技術(shù)水平來提高系統(tǒng)性能是行之有效的。二是在衛(wèi)星的體積內(nèi)，封裝的電子系統(tǒng)更密實(shí)，以實(shí)現(xiàn)每顆衛(wèi)星安裝更多的單元。按照這種思路發(fā)展，立方體衛(wèi)星的可用性將有較大發(fā)展空間。

立方體衛(wèi)星部件設(shè)計的新挑戰(zhàn)

美國行星實(shí)驗室立方體衛(wèi)星鴿群-1A（Flock-1A）部署前在空間站艙中的布局圖，照片顯示4個釋放裝置，每個釋放裝置裝有2顆“鴿子”（Doves）衛(wèi)星

當(dāng)前已經(jīng)看到，對立方體衛(wèi)星部件的要求正在發(fā)生明顯的變化，對于諸如多衛(wèi)星星座等新市場的參與者，大型立方體衛(wèi)星的科學(xué)和商業(yè)等主流應(yīng)用是主要的驅(qū)動因素。為了面對這一挑戰(zhàn)，需要開拓設(shè)計和制造衛(wèi)星部件的新途徑，支持其快速發(fā)展。

新的多衛(wèi)星星座作為新興市場的參與者和推動力，對于立方體衛(wèi)星部件的設(shè)計要求，目前正在發(fā)生著巨大改變。其特點(diǎn)是星座衛(wèi)星的交付時間明顯縮短，單顆衛(wèi)星的價格較低。新參與者的代價必須能夠接受較高的風(fēng)險，這主要是基于系統(tǒng)或星座冗余的支持。這也就需要改變分系統(tǒng)和部件的要求。另一個改變是即將到來的10～50kg衛(wèi)星市場的擴(kuò)大。最早產(chǎn)生于教育立方體衛(wèi)星機(jī)構(gòu)的這種衛(wèi)星所采用的立方體衛(wèi)星技術(shù)，對于真正的科學(xué)或商業(yè)應(yīng)用已經(jīng)不完全適合。為此不少公司和科學(xué)機(jī)構(gòu)正在研制或計劃研制多種新型立方體衛(wèi)星，對部件市場產(chǎn)生了更大數(shù)量和更多的新要求。由于對有效載荷、電源等有越來越高的需求，所以立方體衛(wèi)星體積和質(zhì)量有不斷增長的趨勢。以前的教育衛(wèi)星大多為1～3U立方體衛(wèi)星，而對于商業(yè)和科學(xué)任務(wù)，目前逐漸趨于向6U、12U、16U 和27U發(fā)展，對衛(wèi)星部件的商用現(xiàn)貨產(chǎn)品需求也呈猛烈增長態(tài)勢，衛(wèi)星部件從大學(xué)的實(shí)驗室研制模式逐漸走向生產(chǎn)線研制模式。

作為二級有效載荷發(fā)射存在的問題和對專用火箭的需求

對于立方體衛(wèi)星，軌道機(jī)動能力代表著應(yīng)用的機(jī)會與挑戰(zhàn)。目前由于立方體衛(wèi)星大多作為二級有效載荷發(fā)射，立方體衛(wèi)星的軌道位置受限于主有效載荷軌道位置的約束，即由于必須適應(yīng)主有效載荷的軌道要求，因此，必須接受對于立方體衛(wèi)星來說，主有效載荷發(fā)射所達(dá)到的軌道并不是最佳軌道的現(xiàn)實(shí)。立方體衛(wèi)星的開發(fā)者總是希望具有軌道機(jī)動的某種能力，但提供搭載的發(fā)射提供者一般又不能接受立方體衛(wèi)星攜帶推進(jìn)系統(tǒng)，因為可能影響主有效載荷發(fā)射時的速度變化或產(chǎn)生污染風(fēng)險。立方體衛(wèi)星專用發(fā)射手段問題提上議事日程。美國已經(jīng)開始針對專門用于發(fā)射立方體衛(wèi)星的風(fēng)險計劃，該計劃要求提供批量立方體的專用發(fā)射。這種衛(wèi)星目前一般是作為二級有效載荷發(fā)射，存在的主要問題是對飛行軌道和發(fā)射日程缺少控制力。

2015年10月，美國航空航天局宣布向3家公司授予研制立方體衛(wèi)星專門發(fā)射火箭的合同，這3家公司是螢火蟲太空系統(tǒng)公司、火箭試驗室和處女銀河公司。而目前這3家公司均未向軌道發(fā)射一顆衛(wèi)星，NASA的合同支持每一個承包商進(jìn)行一次試發(fā)射。3個合同總額是1710萬美元。

除了美國和日本在“國際空間站”上的立方體釋放器以外，歐洲航天局、俄羅斯、中國等都有立方體衛(wèi)星運(yùn)載火箭搭載釋放器。NASA最早有一個發(fā)射小衛(wèi)星釋放器，稱為“納米衛(wèi)星的教育發(fā)射”（ELaNa），但局限是只能在NASA的運(yùn)載火箭有剩余發(fā)射能力時，安排NASA和大學(xué)的立方體衛(wèi)星發(fā)射。直到現(xiàn)在，立方體衛(wèi)星的發(fā)射基本上還是依靠其他的運(yùn)載火箭搭載進(jìn)入太空。NASA立方體衛(wèi)星專用火箭的開發(fā)，將是立方體衛(wèi)星脫離搭載局限，向作為主有效載荷發(fā)射邁出的重要一步。

大數(shù)量立方體衛(wèi)星發(fā)射，軌道碎片問題不容忽視

立方體衛(wèi)星以星座投入運(yùn)行，一個重要特點(diǎn)是衛(wèi)星數(shù)目特別巨大，現(xiàn)在美國太空探索技術(shù)公司已經(jīng)提出4000顆衛(wèi)星的星座，衛(wèi)星壽命結(jié)束后的軌道處理是關(guān)系到整個地球軌道安全的大問題。但到目前為止，所有立方體衛(wèi)星任務(wù)，或者依靠在軌自然衰減，或者利用某種技術(shù)途徑加速軌道衰減，總之要遵循機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會（IADC）指南25年內(nèi)實(shí)現(xiàn)軌道衰減的共識。由于立方體衛(wèi)星大多不攜帶軌道推進(jìn)系統(tǒng)，衛(wèi)星軌道壽命結(jié)束后的處理措施，即如何使立方體衛(wèi)星不會成為軌道碎片源也成為重點(diǎn)關(guān)注問題。

CubeSat is Accelerating the Transformation of Space Industry Model