小卫星的创举——“立方体”纳星

□ 易 林 林来兴

纳型卫星在上个世纪也有所发展，但应用上大都停留在简单空间飞行实验，用处很有限，皮星更多是作为一种概念性存在，主要为教学与筒单元部件实验服务。随着“立方体”纳星的诞生，小卫星应用如同“井喷”迅猛发展。

美国航宇局的立方体会战

1999年，美国斯坦福大学的汤姆肯尼教授对皮星提出新的设计概念：外形上看是一个边长为10厘米的立方体，输出功率相当于手机，质量不足1千克。从此皮星被称为“立方体”卫星（CubeSat）。

后来“立方体”卫星技术得到迅速发展，成为美国大学影响最大的小卫星研究项目。当前全球已有60多所大学与研究机构参加到“立方体”卫星研究行列。第一批“立方体”卫星在2003年成功发射。至今全世界已发射80多颗“立方体”卫星。

美国航宇局选择了33颗小卫星作为辅助有效载荷，这些来自全美大学、无线电爱好者卫星公司、该局下属各宇航中心和国防部的“立方体”小卫星将在2013年和2014年发射。

目前，“立方体”小卫星正向下列几个方向发展：

1)提高本身技术水平，例如采用三轴姿控、轨道机动等；

2)由若干个“立方体”卫星组合成为一个实用的卫星；

3) 向标准化、模块化发展；

4)质量扩大到纳星的水平。

2010年11月19日，O/OREOS纳型卫星从阿拉斯加发射升空

有些纳星是由几个“立方体”卫星组成，而“立方体”卫星也包含几个立方体单元，为此纳星和“立方体”卫星的界线慢慢模糊起来，所以经常把两者放在一起，即“纳星/立方体”。

立方体纳星地球观测星座

由“立方体/纳星”组成地球观测星座，是这种小卫星最大应用特点。

随着技术水平的提高和应用扩大，预计每年“纳星/立方体”发射量将是上百颗以上。例如：计划2012年～2013年同时间发射50颗双立星，组成星座，用来观测全球低热电离层状态。每颗卫星重2千克，由世界(大部分为高校)报名参加，轨道高度400千米左右。阿根廷计划发射64颗“立方体”星星座，每颗纳星质量12千克，实现全球实时数据通信。若与上世纪90年代Orbcomm数据通信星座相比较：卫量减轻4倍，经济成本降低3倍。从以上实例可以看到：这种卫星成本低，研制周期短，实用性强。很多国家经济上都能承担，将来应用前景一定是很好的。例如美国安德鲁斯空间公司研制2种高分辨率系统的“立方体”纳型卫星，它们可以组成廉价的高分辨率地球观测星座：

第一种：由2×3的6个“立方体”卫星（6U）组成纳型卫星，技术指标如下：

·卫星尺寸：20厘米×20厘米×30厘米；

·质量：8千克；

·光学孔径：9厘米；

·光学焦距：1.2米；

·空间分辨率：3.5米（在450千米高的圆轨道）；

·姿态指向精度：0.01°；

·下行数据传输率：≥0.5Mbit/s；

·寿命：3年。

第二种：由4×6的24个立方体卫星（24U）组成的纳型卫星，技术指标如下：

·卫星尺寸：20厘米×20厘米×60厘米；

·质量：20千克；

·光学孔径：18厘米；

·光学焦距：2.1米；

·空间分辨率：2.5米（在450千米高的圆轨道）；

·姿态指向精度：0.01°；

·下行数传率：＞0.5Mbit/s；

·寿命：3年。

目前较普遍采用Walker星座：每颗纳型卫星的轨道高度和倾角完全相同。例如：轨道高度为450千米的圆轨道，轨道倾角55度，重访时间为60分钟，需要35颗卫星；45分钟，需要50颗卫星；30分钟，需要65颗卫星；15分钟，需要100颗卫星。

6U纳型卫星结构外形

立方体星结构外形（A-单单元，B-多单元）

24U纳型卫星结构外形

O/OREOS纳米卫星有效载荷功能测试

随机仪器会及时检查它们发生的化学变化是否一致

以第一方案为例，每颗6U组成的纳型卫星，成本约为400万美元。现在的成本较高，批量生产以后成本将有较大下降。由50颗纳型卫星组成的对地观测卫星星座可以实现全球覆盖，重访时间约45分钟，空间分辨率为3.5米（属于高分辨率范围）。50颗纳型卫星成本约2亿美元，低于每颗大卫星的成本。若重访时间提升到15分钟，估计需要100颗纳型卫星，总成本为4亿美元，相当于目前1颗大卫星的成本。投资这么少，就能完成一个能实现全球覆盖、实时态势感知和敏感目标监测的任务，颇受军方青睐。

立方体中的生命试验

虽然人们知道外太空对生物并不友好，但是他们很难确定生命及与生命有关的化合物在太空停留多长时间会产生不利影响。科学家为了弄清这个问题，2010年11月19日，美国将一颗名叫“生物体/有机物暴露在轨道压力下”(O/OREOS)的纳星发射到高度为650千米的地球轨道，研究人员将利用这颗纳星，试验生命和生命成分会对太空复杂环境做出怎样的反应。

美国以前曾进行过类似的太空生物学试验。但是那些实验的样本不是漂浮在一个回收舱里，例如BIOPAN试验，就是被放在国际空间站外面的平台上，例如EXPOSE设备。在进行这些实验时，样本在被太空放射物照射后，都被带回地球进行分析。这次试验与以往不同的是通过数据传输进行监控。

5千克重的“生物体/有机物暴露在轨道压力下”纳星由3个边长都是10厘米的立方体组成。其中一个立方体相当于“大脑”，另外两个立方体负责携带科学实验物品。

第一个立方体是比较两种类型的微生物在太空环境下会如何进行竞争。其中一种微生物是非常普通、生长很快的枯草杆菌(Bacillus subtilis)，它是生物在太空生存时间最长的记录保持者，在美国航宇局的一颗卫星上存活了6年。另一种是生长缓慢的微生物——红皮嗜盐菌(Halorubrum)，这种细菌能在各种各样的咸水环境下生存，它们也许能在火星或者木星的卫星——木卫二上的地下存活。在为期6个月的任务期间，随机仪器会及时检查它们发生的化学变化是否一致，或者它们的变化是否与太阳活动有关。除了要经受太空碎片的撞击，在地球大气层和磁场的保护范围以外，有无数粒子和高能射线正在等着这些勇敢的太空旅行者。它们包括重离子、质子、电子、伽马射线、X射线和紫外线。生命要想在这些地方幸存下来，它们还必须设法适应引力更小的环境（仅为地球引力的十万分之一）。这种情况会对微生物如何获得食物，以及它们如何清除废物产生影响。放射物的剂量将是每天大约30拉德，这大约是地球上的普通飞机承受的放射物辐射的30000倍。科学家将通过观察新陈代谢指示器颜色的变化和光吸收总量，追踪研究这些细菌的生长率和新陈代谢情况。了解微生物在太空中的进化潜能非常重要，因为这有助于我们避免利用地球上的生物污染其他世界。

第二个立方体实施的一个实验，主要是用来测量太空对4种重要的生物化合物产生的影响。分子乘客的名单包括一个氨基酸(蛋白质的组成成分)和一个多环芳香烃化合物(太空中最普遍的一种有机物)。这些化合物将被放置在模拟星际太空、月球、火星和外太阳系的4个不同的微小环境里。科学家将通过测量它们吸收的紫外线和可见光的数量，研究每个分子样本。这些分子的存活率将帮助科学家确定是否地球上的一些生物化学物质曾在太空游荡，后来被陨石送上地球。

跟“生物体/有机物暴露在轨道压力下”纳星设计类似，而且飞入轨道的还包括查看细菌对微重力环境的反应的“基因星(GeneSat)”卫星和在2010年5月7日发射升空，用来研究酵母在太空中行为表现的“PharmaSat”卫星。

Walker星座重访时间与卫星数量关系（轨道倾角55°）

O/OREOS纳米卫星