越小越闪亮——立方体卫星

+ 刘进军 编译

越小越闪亮——立方体卫星

+ 刘进军 编译

这是一个自由幻想的结晶。

这是一个点石成金的妙法。

一颗极小而超越梦想的卫星，为智慧插上一双翅膀。课桌上诞生的小精灵们飞向各自轨道，展示科技、智慧和魅力，越小越闪亮！

美国加州州立理工大学航天学教授霍尔迪·苏安里

斯坦福大学航空航天学教授鲍伯·特维格

美国加利福尼亚州圣路易斯-奥比斯波市风光优美，葡萄酒令人陶醉，更让人陶醉的是这里有一座著名大学——加利福尼亚州州立理工大学。加州州立理工大学的座右铭是：从实践中学习。“从实践中学习”的教育理念，鼓励学生通过课堂理论与实验室练习、社会实践相结合，解决现实世界的问题。

在加州州立理工大学，有一位满脸络腮胡子的航空航天工程学教授霍尔迪·苏安里。他在学校是道貌岸然的教授，出了校门就是捡破烂的破烂王。他夫人说：“他把什么破烂都捡回家，整个家就是个老鼠窝，一天到晚臭烘烘的。”苏安里爱动脑，也爱动手，曾用垃圾堆里捡来的破烂造了一架飞行机器人和一颗小卫星，让飞行机器人驮着小卫星进行飞行试验。学生们评价他是：用手指头爬上太空的航天专家。

当你进入加利福尼亚州圣克拉拉县，到处洋溢着学术的气氛。如果一位扫垃圾的清洁工用扫把在地面上计算线性代数，或一位保安讨论气动声学噪声的产生，请别大惊小怪。因为这儿有一所世界最杰出的大学之一——斯坦福大学。

斯坦福大学的教师和校友创办了许多公司，包括谷歌、惠普、耐克、雅虎、太阳计算机系统公司。校友们创办的公司年收入超过27000亿美元，创造的财富相当于世界第10大经济体。斯坦福大学共诞生59位诺贝尔奖获得者，30名亿万富翁，17名宇航员。在斯坦福大学，更重要的是，任何话题都是受欢迎的！斯坦福大学的格言：让自由之风劲吹！

“我不可能获得诺贝尔奖，但可以培养获得诺贝尔奖的人。”斯坦福大学航空航天学教授鲍伯·特维格说话慢腾腾，但思维比计算机还快。他常教导说：“请不要将科学砸在手背上，而要捏在手心里，用智慧解开未知的奥秘。”特维格一天到晚望着太空：怎样普及航天知识和卫星科学？

航天，需要激情。霍尔迪·苏安里教授和鲍伯·特维格教授相识于地球，梦想于太空。1999年初开始,两位教授认为：科学已经发展到今天，已经发射了微卫星、纳米卫星和皮卫星，大学生已经拥有研制卫星的可能性。苏安里教授认为：“大学生卫星既不能太大，也不能太难，更不能太贵。”这是一种什么样的卫星呢？这种卫星可能吗？

苏安里教授提出一个馊主意：“只要能飞上天，卫星可以长得像一朵鲜花。”特维格教授建议：“根据工程设计原理，必须为大学生卫星制定一个标准。大学生卫星都按照一个标准研制，体现标准、统一、公平的原则。”

什么模样的卫星，多大小的卫星，什么重量的卫星才是标准呢？一天，特维格教授来到一家商店，在大门口被一只宠物犬绊了一脚，跌跌闯闯地绕道走进超市。突然，他看见前方的展柜上正在展示豆豆娃，下面是一个立方体的塑料盒。他灵光乍现：立方体，正方形，具有稳定性和整体性。它恰好体现了大学生的卫星标准：结构简单，任意组合，变化万千。

没有规矩，不成方圆。特维格教授认为：大于10厘米的立方体作为一种卫星概念。1999年夏天，特维格向苏安里教授提出了这一想法。苏安里教授提议：那就将大学生卫星命名为立方体卫星。立方体卫星为大学生研制卫星指明了方向，意义重大。

2U立方体卫星

3U立方体卫星

1U立方体卫星

1999年11月，在美日科学、技术和空间应用程序大会上，两位教授首先提出了立方体卫星的概念，并制定了一个立方体卫星的标准。加州州立理工大学和斯坦福大学成为推广立方体卫星计划的先锋，掀起了全世界大学生研发立方体卫星，研究太空科学和发扬探索精神的潮流。

什么是立方体卫星呢？它的英文名字是CubeSat。Cube，是立方体的意思，Sat是Satellite的简写。这时，立方体卫星已经形成为一个卫星标准，又是一个卫星计划。立方体卫星也是一个教育计划。目的很明确：学生通过设计、研制立方体卫星，学习、理解、掌握世界先进的卫星技术和太空知识，提高想象力、创造力、动手能力和团队精神。

特维格教授介绍道：立方体卫星是指长宽高各10厘米，重量不超过1.33千克立方体形的卫星。立方体卫星通常采用现成的电子元件和零部件，研制费用控制在6.5～8万美元。卫星小，但功能齐全，比大卫星便宜多了。立方体卫星将帮助大学生完成太空科学和探索。

按规定，立方体卫星标准将10×10×10厘米的卫星作为一个Unit（单位），简称1U。立方体卫星共分为4个标准：1U立方体卫星为标准型，尺寸为10×10×10厘米；2U立方体卫星尺寸为20×10×10厘米；3U立方体卫星尺寸为30×10×10厘米，0.5U立方体卫星为0.5×0.5×0.5厘米。

立方体卫星相当于一个大魔方，可以2个或3个连接在一起，组成一颗卫星。近年来，更大的立方体卫星已经提出，如24×24×36厘米的立方体卫星，功能也扩展和超出了学术和技术验证卫星，成为更复杂的科学和国防科学为目标的卫星。

立方体卫星必须价廉物美，对体积和重量的要求苛刻，必定要采用微电子技术和微机械技术。因为体积和重量的限制，绝大多数立方体卫星都将太阳能帆板集成到卫星表面。根据主要任务，卫星装载了一种或二种科学仪器，执行一定或特定的任务。

立方体卫星运行轨道一般在250～1000千米的低轨道上。因为立方体卫星几乎不带燃料，设计寿命短的只有几天，长的几个月，最多的2～3年。大部分立方体卫星没有推进系统，靠火箭给它的初始速度飞行。现在，有的立方体卫星使用微型的离子调姿火箭，给卫星装上力量的翅膀。立方体卫星的技术和功能越来越接近大卫星。

在太空这个自由的空间玩高科技玩具，充分启发大学生的想象力和创造力。大部分立方体卫星是科学试验卫星。卫星的种类也仿真大卫星，有地球观测卫星、通信卫星、气象卫星、导航卫星、照相侦察卫星和技术试验卫星等。

卫星的零部件

卫星组装

在课桌上能造卫星吗？全世界上百所理工大学制订了立方体卫星计划。各大学一般招收理工科1～2年级学生，4～6人自主组成研发小组。第一年以教授太空知识、卫星系统工程学基础理论为主，及卫星系统设计概念；第二年重点是立方体卫星系统的总体设计，各分系统的细部设计；第三年制造卫星；第四年测试卫星，提高卫星理论和技术。

卫星结构与飞行原理

阿拉伯学生的立方体卫星

美国空军研究实验室“实验小卫星-11”号试验离子发动机

美国宇航局“萤火虫”立方体卫星观测闪电和γ射线反射

卫星飞行理想图

学生们必须了解和掌握天文学、太空环境学、太空动力学、轨道力学、光学、卫星通信学、卫星应用学、卫星设计理论、卫星的结构功能和系统原理等学科。学生们经过系统学习，再根据各自的专业，分别设计各分系统。一颗做梦也想象不到的卫星，从各自的大脑里集合到一张蓝图上。

立方体卫星虽小，但五脏俱全。卫星上的很多部件，如图像传感器、微波发射机、分析仪、激光光纤陀螺、电动机等都尽可能做得最小。它们集成在半导体基片上，构成立方体卫星的基本组成部分。

卫星功能元件和小型仪器，都集成到一个很小的半导体芯片上。一个由电池供电的微型芯片就可以完成一台仪器的作用，而不必再使用如太阳能电池阵，大大减轻部件的重量。当将各个分系统、小部件组装成卫星，经过分系统测试、综合测试、地面测试和太空环境测试，测试优秀后就可进入发射程序。一颗高科技的卫星在自己的手里诞生。

大学生们十分欣赏自己的作品，把它作为艺术品送给太空。2003年6月30日，世界上第一颗、丹麦奥尔堡大学的立方体卫星，在俄罗斯搭乘“呼啸”号运载火箭发射升空。到2013年底，全世界50多个国家大学生、公司和机构已发射113颗立方体卫星，其中一颗高中生立方体卫星。

最近几年，立方体卫星越早越大，越造越精，越造功能越多，研制费用提高到10万～12.5万美元。立方体卫星计划及知识在发达国家已经普及。随着时间推移，立方体卫星标准已经成为一个行业标准。世界各地的许多大学、企业和政府组织愿意研发立方体卫星。立方体卫星标准被广泛采用，成为世界标准。

越小越闪亮——立方体卫星

美国冯·卡门研究所提出一个一箭发射50颗立方体卫星，组建太空卫星监测网的计划，由欧盟资助。欧洲19个国家大学提供35颗，美国大学10颗，加拿大大学2颗和日本大学3颗。2015年，50颗立方体卫星已经列入发射计划。立方体卫星技术全面蓬勃发展，提出许多新技术、新功能和新设想，如空间插件、活动结构、即插即用、功能变换、分形组合、虚拟卫星等概念。卫星真的可以长得像一朵鲜花。

立方体卫星属于纳米卫星，但有极高的军事价值。美国空军宣称：世界上先进的太空探测系统可以探测几百千米太空中10厘米的飞行体，但很难找到立方体卫星，更别说攻击和摧毁。立方体卫星体积小，重量轻，可以在未来太空战中快速、大量部署。如果发射战斗立方体卫星，不是附在敌星上窃听秘密，就是给敌星钻个孔撒气，甚至将敌星打爆头。

目前，美国国防部、美国空军学院、美国空军技术学院、美国空军研究生学院、美国空军先进计划局、美国西点军校、美国海军学院、美国陆军太空与导弹防御司令部，以及美国宇航局喷气推进实验室都研制发射了立方体卫星，试验各种可能性。

立方体卫星，激励着全世界的大学生们。科技，永远是第一生产力。航天，能看见更远的未来。