小衛星的創舉——“立方體”納星

□ 易 林 林來興

納型衛星在上個世紀也有所發展，但應用上大都停留在簡單空間飛行實驗，用處很有限，皮星更多是作為一種概念性存在，主要為教學與筒單元部件實驗服務。隨著“立方體”納星的誕生，小衛星應用如同“井噴”迅猛發展。

美國航宇局的立方體會戰

1999年，美國斯坦福大學的湯姆肯尼教授對皮星提出新的設計概念：外形上看是一個邊長為10厘米的立方體，輸出功率相當于手機，質量不足1千克。從此皮星被稱為“立方體”衛星（CubeSat）。

后來“立方體”衛星技術得到迅速發展，成為美國大學影響最大的小衛星研究項目。當前全球已有60多所大學與研究機構參加到“立方體”衛星研究行列。第一批“立方體”衛星在2003年成功發射。至今全世界已發射80多顆“立方體”衛星。

美國航宇局選擇了33顆小衛星作為輔助有效載荷，這些來自全美大學、無線電愛好者衛星公司、該局下屬各宇航中心和國防部的“立方體”小衛星將在2013年和2014年發射。

目前，“立方體”小衛星正向下列幾個方向發展：

1)提高本身技術水平，例如采用三軸姿控、軌道機動等；

2)由若干個“立方體”衛星組合成為一個實用的衛星；

3) 向標準化、模塊化發展；

4)質量擴大到納星的水平。

2010年11月19日，O/OREOS納型衛星從阿拉斯加發射升空

有些納星是由幾個“立方體”衛星組成，而“立方體”衛星也包含幾個立方體單元，為此納星和“立方體”衛星的界線慢慢模糊起來，所以經常把兩者放在一起，即“納星/立方體”。

立方體納星地球觀測星座

由“立方體/納星”組成地球觀測星座，是這種小衛星最大應用特點。

隨著技術水平的提高和應用擴大，預計每年“納星/立方體”發射量將是上百顆以上。例如：計劃2012年～2013年同時間發射50顆雙立星，組成星座，用來觀測全球低熱電離層狀態。每顆衛星重2千克，由世界(大部分為高校)報名參加，軌道高度400千米左右。阿根廷計劃發射64顆“立方體”星星座，每顆納星質量12千克，實現全球實時數據通信。若與上世紀90年代Orbcomm數據通信星座相比較：衛量減輕4倍，經濟成本降低3倍。從以上實例可以看到：這種衛星成本低，研制周期短，實用性強。很多國家經濟上都能承擔，將來應用前景一定是很好的。例如美國安德魯斯空間公司研制2種高分辨率系統的“立方體”納型衛星，它們可以組成廉價的高分辨率地球觀測星座：

第一種：由2×3的6個“立方體”衛星（6U）組成納型衛星，技術指標如下：

·衛星尺寸：20厘米×20厘米×30厘米；

·質量：8千克；

·光學孔徑：9厘米；

·光學焦距：1.2米；

·空間分辨率：3.5米（在450千米高的圓軌道）；

·姿態指向精度：0.01°；

·下行數據傳輸率：≥0.5Mbit/s；

·壽命：3年。

第二種：由4×6的24個立方體衛星（24U）組成的納型衛星，技術指標如下：

·衛星尺寸：20厘米×20厘米×60厘米；

·質量：20千克；

·光學孔徑：18厘米；

·光學焦距：2.1米；

·空間分辨率：2.5米（在450千米高的圓軌道）；

·姿態指向精度：0.01°；

·下行數傳率：＞0.5Mbit/s；

·壽命：3年。

目前較普遍采用Walker星座：每顆納型衛星的軌道高度和傾角完全相同。例如：軌道高度為450千米的圓軌道，軌道傾角55度，重訪時間為60分鐘，需要35顆衛星；45分鐘，需要50顆衛星；30分鐘，需要65顆衛星；15分鐘，需要100顆衛星。

6U納型衛星結構外形

立方體星結構外形（A-單單元，B-多單元）

24U納型衛星結構外形

O/OREOS納米衛星有效載荷功能測試

隨機儀器會及時檢查它們發生的化學變化是否一致

以第一方案為例，每顆6U組成的納型衛星，成本約為400萬美元。現在的成本較高，批量生產以后成本將有較大下降。由50顆納型衛星組成的對地觀測衛星星座可以實現全球覆蓋，重訪時間約45分鐘，空間分辨率為3.5米（屬于高分辨率范圍）。50顆納型衛星成本約2億美元，低于每顆大衛星的成本。若重訪時間提升到15分鐘，估計需要100顆納型衛星，總成本為4億美元，相當于目前1顆大衛星的成本。投資這么少，就能完成一個能實現全球覆蓋、實時態勢感知和敏感目標監測的任務，頗受軍方青睞。

立方體中的生命試驗

雖然人們知道外太空對生物并不友好，但是他們很難確定生命及與生命有關的化合物在太空停留多長時間會產生不利影響。科學家為了弄清這個問題，2010年11月19日，美國將一顆名叫“生物體/有機物暴露在軌道壓力下”(O/OREOS)的納星發射到高度為650千米的地球軌道，研究人員將利用這顆納星，試驗生命和生命成分會對太空復雜環境做出怎樣的反應。

美國以前曾進行過類似的太空生物學試驗。但是那些實驗的樣本不是漂浮在一個回收艙里，例如BIOPAN試驗，就是被放在國際空間站外面的平臺上，例如EXPOSE設備。在進行這些實驗時，樣本在被太空放射物照射后，都被帶回地球進行分析。這次試驗與以往不同的是通過數據傳輸進行監控。

5千克重的“生物體/有機物暴露在軌道壓力下”納星由3個邊長都是10厘米的立方體組成。其中一個立方體相當于“大腦”，另外兩個立方體負責攜帶科學實驗物品。

第一個立方體是比較兩種類型的微生物在太空環境下會如何進行競爭。其中一種微生物是非常普通、生長很快的枯草桿菌(Bacillus subtilis)，它是生物在太空生存時間最長的記錄保持者，在美國航宇局的一顆衛星上存活了6年。另一種是生長緩慢的微生物——紅皮嗜鹽菌(Halorubrum)，這種細菌能在各種各樣的咸水環境下生存，它們也許能在火星或者木星的衛星——木衛二上的地下存活。在為期6個月的任務期間，隨機儀器會及時檢查它們發生的化學變化是否一致，或者它們的變化是否與太陽活動有關。除了要經受太空碎片的撞擊，在地球大氣層和磁場的保護范圍以外，有無數粒子和高能射線正在等著這些勇敢的太空旅行者。它們包括重離子、質子、電子、伽馬射線、X射線和紫外線。生命要想在這些地方幸存下來，它們還必須設法適應引力更小的環境（僅為地球引力的十萬分之一）。這種情況會對微生物如何獲得食物，以及它們如何清除廢物產生影響。放射物的劑量將是每天大約30拉德，這大約是地球上的普通飛機承受的放射物輻射的30000倍。科學家將通過觀察新陳代謝指示器顏色的變化和光吸收總量，追蹤研究這些細菌的生長率和新陳代謝情況。了解微生物在太空中的進化潛能非常重要，因為這有助于我們避免利用地球上的生物污染其他世界。

第二個立方體實施的一個實驗，主要是用來測量太空對4種重要的生物化合物產生的影響。分子乘客的名單包括一個氨基酸(蛋白質的組成成分)和一個多環芳香烴化合物(太空中最普遍的一種有機物)。這些化合物將被放置在模擬星際太空、月球、火星和外太陽系的4個不同的微小環境里。科學家將通過測量它們吸收的紫外線和可見光的數量，研究每個分子樣本。這些分子的存活率將幫助科學家確定是否地球上的一些生物化學物質曾在太空游蕩，后來被隕石送上地球。

跟“生物體/有機物暴露在軌道壓力下”納星設計類似，而且飛入軌道的還包括查看細菌對微重力環境的反應的“基因星(GeneSat)”衛星和在2010年5月7日發射升空，用來研究酵母在太空中行為表現的“PharmaSat”衛星。

Walker星座重訪時間與衛星數量關系（軌道傾角55°）

O/OREOS納米衛星