QB50项目概述

焦子龙 （北京卫星环境工程研究所）

QB50项目概述

焦子龙 （北京卫星环境工程研究所）

1　 概述

立方体卫星是指以尺寸为10cm×10cm×10cm，质量不大于1kg的皮卫星为标准单元（1 U）。采用10cm×10cm×20cm大小的结构称为2U，采用10cm×10cm×30cm大小的结构称为3U。它包含普通卫星的所有功能，如姿态确定与控制、通信、体装或展开式太阳电池板、星载计算机及科学载荷等。立方体卫星采用商业器件，成本低，一般为5万～10万美元。由于其功能极为受限，因此主要被大学用于教学目的。但多颗立方体卫星组网，携带相同的载荷，完全能够开展科学探测任务，并且组网探测避免了由于单颗立方体卫星失效造成的任务失败。

立方体卫星的基本组成

QB50计划轨道部署示意图

总装中的乌克兰旋风-4火箭

欧洲航天局在欧盟第七框架计划（FP7）支持下，开展了大气低热层探测的QB50计划。QB50的任务目标描述为“演示验证全球大学团队研制的50颗立方体卫星网络，由低成本运载火箭发射，完成对大气低热层进行探测的一流科学任务”。由于卫星在轨寿命很短，若采用现有航天器研制试验流程及规范研制50颗卫星，成本极其高昂，项目不具可行性。因此采用低成本的立方体卫星则是开展低热层原位探测的唯一选择。

QB50采用旋风- 4（Cyclone - 4）火箭发射。运载火箭为乌克兰南方设计局研制，南方机械厂制造。发射服务商为乌克兰和巴西合资的阿尔坎塔拉·旋风空间公司（Alcantara Cyclone Space），发射地点位于巴西的阿尔坎塔拉发射场，发射日期定于2016年1月，轨道参数为高度380km，倾角98°的圆轨道。卫星在轨部署后形成如珍珠项链式的布局。

2　 QB50　任务目标

开展QB50计划的主要目的可以归结为：增强低成本进入空间的能力，对大气低热层进行科学探测，空间新技术的演示验证，教育教学等。

低成本进入空间

通过QB50计划的实施，提高关键技术的技术成熟度，实现低成本空间科学探测及深空探测可持续发展的目标；并且对旋风-4运载火箭进行验证，保证在未来10年具备低成本发射的能力；再有，通过国际合作，提高立方体卫星平台的标准化程度，促进技术发展。

大气层结构示意图

科学探测

QB50计划对高度在200～380km范围内的大气低热层进行探测，因为这部分大气层是目前探测最少的。以前的卫星探测任务采用大椭圆轨道（近地点200km，远地点3000km），对这一区域的探测时间只有几十分钟，且为单点探测。探空火箭是目前的主要探测工具，但探测时间更短，只有几分钟。并且仅能探测飞行路径上的参数分布。低轨(600～800km)高性能地球遥感卫星也用于探测大气层，采用的是收集不同高度大气组分散射信号的方法。遥感卫星对于探测低于100km的大气是非常好的方法，但并不适于探测低热层大气，因为其散射信号极为微弱。同理，地基的微波雷达或激光雷达也难以探测低热层大气。因此，QB50的原位、多点探测将是对现有遥感卫星和探空火箭探测的有利补充。

QB50卫星载荷包括三组，分别为离子及中性气体质谱计（INMS，由英国马拉德空间科学实验室研制），原子氧通量探测器（FIPEX，由德国德累斯顿工业大学研制）及多探针郎缪尔探针（mNLP，由挪威奥斯陆大学研制）。每组均包含多个热敏电阻、热电偶和铂电阻温度传感器。每颗卫星需要安装三组载荷中的一组。

在轨演示验证

作为技术验证平台，QB50计划有40颗2U立方体卫星用于科学探测，10颗卫星不携带科学载荷，仅完成技术验证任务。其中，QARMAN用于研究大气层再入及相关的气动热力学现象。卫星采用了烧蚀热防护系统进行再入热防护，安装分系统的侧板也有热防护系统及隔热结构。卫星还将验证被动离轨及non-powered交会对接。DelFFi由两颗3U立方体卫星组成，分别是Delta和Phi，任务目标是研制自主编队飞行技术。InflateSail为萨瑞空间中心研制的3U立方体卫星，其主要目标为验证充气帆的展开及硬化技术。充气帆由1m长的充气硬化圆柱杆组成，帆为3m×3m的薄膜。卫星轨道为700km×300km。

教育教学

QB50项目向全世界开放，中国就有10所大学参与，包括西北工业大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、南京航空航天大学、国防科学技术大学、北京大学、上海交通大学、浙江大学、澳门大学和台湾成功大学。学生通过亲身动手参与立方体卫星研制，能够更深入、更全面地感受卫星设计过程。相对于传统航天设计工程学生一般都是做理论研究，或者所设计的部件要毕业多年后才能被送入太空，立方体卫星大大促进了其对卫星技术的理解，提高了其实际工作技能，同时也促进了技术传播。

QB50载荷

QB50技术验证卫星

3　 QB50　前驱项目

2 0 1 4年6月1 9日，俄罗斯由“第聂伯”（Dnepr）运载火箭发射两颗QB50前驱星，用于验证轨道部署器、卫星姿控、通信、载荷等技术。卫星轨道为624km高的近太阳同步轨道。目前卫星仍处于在轨测试阶段。

4　 总结

QB50计划的开展有力促进了立方体卫星技术的发展，将使其发展成为空间技术中类似PC机那样成本低廉、灵活方便、规格统一的大众化商品。通过业余爱好者及普通大众的参与，卫星技术及其应用产业将获得加速发展。

An Overview Of QB50 Project