立方体卫星：——异军突起的“轻骑兵”

张唯诚

虽然它们是航天器的新成员，但看上去只是一个金属盒子，大小相当于一条普通的面包或者一只装鞋的盒子，一端有一个相机镜头。它们可以单独遨游在太空，也可以和其他“模块”组合升级，或者为完成更大的太空任务而形成一个“编队”。也许人们会把它们派到火星上，或许会穿越壮观的土星环，只不过操控它们的主人不一定是美国航空航天局这种声名显赫的“航天巨头”，而可能是非常普通的团体，例如一个大学的研究机构，甚至是酷爱航天的个人。没有人知道它们的登场会给未来航天业带来什么，但人们都能感到它们难以抵御的无穷魅力。它们就是方兴未艾的航天新秀，航天业异军突起的“轻骑兵”——“立方体卫星”。

看上去，立方体卫星似乎把航天业带回了过去，因为最初的航天器就是很小的。人类的第一个人造地球卫星只有沙滩排球那么大，但后来。它们就越做越大了，现在正在火星执行任务的“好奇”号大得像一辆吉普，而2004年抵达土星的“卡西尼”号则更大，假若它是一个容器，你甚至可以将一辆小汽车放进它的肚子里。

但到了20世纪90年代，有人另辟蹊径了。科学家意识到，现代微电子学的发展使他们有能力研制一种迷你型的卫星，它们个头虽小，但用途却没有改变，这就是立方体卫星。科学家研制出一种标准化的模式，使每个部件都能方便组装，造价便宜且灵活性高。美国加利福尼亚州立大学的乔迪普格·苏安里说：“我们在寻找一种方式来简化卫星的系统，这样，学生们只要用上一两年时间就能制造一架航天器了。”

2000年，科学家公布了一种立方体卫星的说明书。这种卫星的宽度只有10厘米，重量为1330克。假若在某个特别的航天任务中，某些仪器无法搭载在一个立方体卫星上，人们便使用两个或更多的立方体卫星，把它们组装成一个更大的立方体卫星。自2003年第一颗立方体卫星升空以来，现在已有大约100颗立方体卫星在太空运行，有些测试某种部件在太空环境下如何工作，有些测试微生物在太空中如何存活，有些则负责探测地球的上层大气环境。科学家希望这种卫星在未来的太空任务中有自己独特的位置，能成为更便宜、更有效的数据采集系统，但并不认为立方体卫星将取代主流的“大卫星”。

“搭便车”飞往火星

迄今为止，立方体卫星还只是运行在环地球的轨道上，它们常被放在一个名为“P荚子”（P-POD）的由弹簧承载的三节式装置里，然后在某次太空任务中随同较大的航天器一同升空，这种方式被形象地称为“搭便车”。一般情况下，它们都没有携带变轨所需的推进系统，因为这种系统必须装载燃料、有毒气体和液体，并把它们放置在高压的环境中，所以大多数立方体卫星并不配备推进器。但在行星际旅行的太空任务中，这种状态就必须改变，在那种时候，立方体卫星必须自由地在太空驰骋，它们要离开地球轨道朝更远的行星飞行，它们甚至需要组成一个飞行编队。在这种情况下，推进系统便是非要不可的了。

2012年，美国航空航天局设置了一项300万美元的奖金以鼓励研究一种能使小卫星摆脱地球引力的万全之策，与此同时。美国联合发射同盟也宣布，他们正在研究一种发射立方体卫星的新概念。从本质上说，这种新概念仍然是“搭便车”，但对立方体卫星来说，它们能得到更多的力量以进入太空。科学家设想，首先让一枚宇宙神火箭在地球轨道上释放它的主要载荷，然后进入更高的轨道并将一个名为MULE的环状结构分离出去。MULE可搭载两打甚至更多的立方体卫星，它同时也拥有自己的推进器，这样，它就能抵达火星，然后释放携带的立方体卫星，而自己则可以在环火星轨道上充当中继平台以执行与地球的通信任务。

立方体卫星能做很多事情，它们能去的地方也几乎和普通航天器没有分别，而火星则很可能是它们未来旅行的首选目标。就在不久前，人们在这颗红色星球的大气中侦测到了甲烷，这种物质被认为是可能存在生命的一种标记。然而一般的航天器很难在短时间里接近它们，但使用一组便宜的立方体卫星就不同了，它们可以被派往火星上不同的地方，每个立方体卫星可配备一台仪器以探测氨基酸的“手性”，因为在地球上，氨基酸的“手性”是与生命紧密相连的。尽管“手性”也不是存在生命的铁证。但它是一个非常迷人的迹象，启发科学家产生更好的想法，设计更合理的太空任务，最终破解火星生命之谜。

穿梭于太阳系

除火星外，另一类立方体卫星的潜在目标是小行星。科学家设想将一组装有地震检波器的立方体卫星投放到小行星上，这样，这些立方体卫星就能监测到小行星上的地震波，那些地震波有可能来自人类的撞击器对小行星的撞击，也可能来自引力导致的小行星变形。当一个天体，例如地球，从这个小行星旁边经过时，天体的引力会使小行星产生一种难以察觉的变形。在这种时候，小行星上由立方体卫星组成的地震波监测网就能监测出某种形式的地震波，这样的地震波能给科学家提供依据，来判断那颗小行星是否结实，抑或只是一些早期太阳系遗留下来的成团的石块。这样的信息也能显示某些线索，供科学家研究太阳系中的大型天体是怎样由小天体一点点组合而成的，还能告诉人们如何用最好的方法探测和摧毁离我们太近的危险小行星。

在太阳系里，木卫二也是一颗被认为有可能存在生命的神秘星球。此前的探测显示，它表层的冰下有可能存在液态水或其他松软物质。尽管美国航空航天局和欧洲空间局计划2020年派一组探测器前往木卫二，但使用装有地震检波器的立方体卫星依然非常必要。当这种卫星来到木卫二后，它们可以探测木卫二的变形。这种变形是由木星和木星系统中的其他大卫星导致的，那些巨大天体产生的引力时刻拉扯着木卫二，这样一来，木卫二的内部就会很热，从而释放热量使海水保持液态。立方体卫星对地震波的监测能让科学家知道，在木卫二的冰下，最有可能存在生命的地方究竟在何处。

离开木卫二，再让我们去土星环看看吧，那里离我们更为遥远，但立方体卫星依然能够大显身手。土星环是天文学家研究行星环的完美标本，也是我们认识太阳系的重要依据。但土星环存在着很多未解之谜，例如环内物质如何使土星环保持明亮和光洁，它们如何运动、碰撞和组合，这些都十分需要得到答案。在这个方面，立方体卫星也能发挥重要作用。美国康奈尔大学的马特·赫德曼认为，科学家可以派立方体卫星进入土星环，用射电波探测环内物质的分布和运动，了解环内冰粒如何相互作用。他认为，这样的研究对认识太阳系早期行星如何形成具有重大意义。

对于立方体卫星的用途，科学家自然不会忘了用它去寻找系外行星，他们已经研制出了一款名为Exo Planet Sat的立方体卫星，将于2014年进入环地球轨道以寻找系外行星。科学家选定的第一个目标是41光年之外的巨蟹座55e，它是一颗超密集行星，绕它的“太阳”运行一周的时间是18小时。Exo Planet Sat可通过观测行星途经恒星前方时恒星出现的亮度变化以收集足够的数据。下一步科学家打算发射一系列类似或更大的立方体卫星去做这种工作，每颗立方体卫星的造价大约为75万美元，这样，人们就可望依靠这种卫星去寻找更多类似地球的系外行星了。

形形色色的推进方式

然而，要完成上述各项工作，立方体卫星便必须有在太阳系中自主飞行的能力，因此独立的推进系统还是不能少。有一种推进器叫脉冲离子浆推进器，原是在大航天器上使用的，它依靠固体推进剂，例如特氟龙产生推力。这种推进器在技术上比较成熟，但体积过大，用在立方体卫星上还有待改进。另有一种推进器体积极小，它是美国麻省理工学院最新研制的，上面有500个极小的喷射尖端。当电压激活了这种推进器时，它便喷射出小型离子喷流。尽管在地球上这样的喷流几乎产生不了什么推力，但在太空中它却可以推动一个鞋盒大小的卫星前进。由于这种新型推进器尺寸极小，因而非常适用于立方体卫星。有了这种推进器，立方体卫星就既能灵活变轨，又能节省出空间容纳更多的载荷了。

除了使用传统的推进器外，人们还想出了很多新奇的点子，例如扔“掷锤”的方法。他们设想，当立方体卫星通过“搭便车”进入一定的轨道后，人们可以用一根旋转的绳索将立方体卫星扔到太空中去。

与此相较，下面这个被称为“电动太阳风帆”的概念就让人放心了许多。这个概念将于2013年由两支分别来自芬兰和爱沙尼亚的研究团队进行测试。按照这种方法，人们将在立方体卫星上安装一些细长的金属系绳，这些系绳会形成一个巨大的圆形阵列，很像一张带正电荷的蜘蛛网。由于同性相斥，这张网会排斥来自太阳风的正离子，这样它就可以从太阳风那里获得一种推力，从而像帆一样推动立方体卫星远离太阳。这个办法实在是太妙了，它把飞船变成了一个类似车轮辐条的东西，又像一颗被风吹起的蒲公英种子。这样，飞船便一边做离心式旋转，一边搭乘着太阳风飘向远方，而连续的推力又会使它越飞越快，甚至以每秒50千米的速度巡航太阳系。

与电动太阳帆相似的另一种推进方式是太阳光帆，它借助太阳光产生的光压获取推力。太阳光帆也擅长距离遥远的太空旅行，所以科学家认为，在未来的星际旅行中，太阳光帆很有可能成为前往其他星球的最合理的航天器。美国行星学会一直致力于这种航天器的研究和实验，他们将于近期实施一项有关立方体卫星的实验项目，其目的是发射一艘名为“光帆1”号的实验型太空船。科学家希望太阳光能为立方体卫星提供持久的动力，从而让它们扬帆远航，飞向更遥远的太空。