□ 易 林 林來(lái)興

納型衛(wèi)星在上個(gè)世紀(jì)也有所發(fā)展，但應(yīng)用上大都停留在簡(jiǎn)單空間飛行實(shí)驗(yàn)，用處很有限，皮星更多是作為一種概念性存在，主要為教學(xué)與筒單元部件實(shí)驗(yàn)服務(wù)。隨著“立方體”納星的誕生，小衛(wèi)星應(yīng)用如同“井噴”迅猛發(fā)展。

美國(guó)航宇局的立方體會(huì)戰(zhàn)

1999年，美國(guó)斯坦福大學(xué)的湯姆肯尼教授對(duì)皮星提出新的設(shè)計(jì)概念：外形上看是一個(gè)邊長(zhǎng)為10厘米的立方體，輸出功率相當(dāng)于手機(jī)，質(zhì)量不足1千克。從此皮星被稱(chēng)為“立方體”衛(wèi)星（CubeSat）。

后來(lái)“立方體”衛(wèi)星技術(shù)得到迅速發(fā)展，成為美國(guó)大學(xué)影響最大的小衛(wèi)星研究項(xiàng)目。當(dāng)前全球已有60多所大學(xué)與研究機(jī)構(gòu)參加到“立方體”衛(wèi)星研究行列。第一批“立方體”衛(wèi)星在2003年成功發(fā)射。至今全世界已發(fā)射80多顆“立方體”衛(wèi)星。

美國(guó)航宇局選擇了33顆小衛(wèi)星作為輔助有效載荷，這些來(lái)自全美大學(xué)、無(wú)線(xiàn)電愛(ài)好者衛(wèi)星公司、該局下屬各宇航中心和國(guó)防部的“立方體”小衛(wèi)星將在2013年和2014年發(fā)射。

目前，“立方體”小衛(wèi)星正向下列幾個(gè)方向發(fā)展：

1)提高本身技術(shù)水平，例如采用三軸姿控、軌道機(jī)動(dòng)等；

2)由若干個(gè)“立方體”衛(wèi)星組合成為一個(gè)實(shí)用的衛(wèi)星；

3) 向標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化發(fā)展；

4)質(zhì)量擴(kuò)大到納星的水平。

2010年11月19日，O/OREOS納型衛(wèi)星從阿拉斯加發(fā)射升空

有些納星是由幾個(gè)“立方體”衛(wèi)星組成，而“立方體”衛(wèi)星也包含幾個(gè)立方體單元，為此納星和“立方體”衛(wèi)星的界線(xiàn)慢慢模糊起來(lái)，所以經(jīng)常把兩者放在一起，即“納星/立方體”。

立方體納星地球觀測(cè)星座

由“立方體/納星”組成地球觀測(cè)星座，是這種小衛(wèi)星最大應(yīng)用特點(diǎn)。

隨著技術(shù)水平的提高和應(yīng)用擴(kuò)大，預(yù)計(jì)每年“納星/立方體”發(fā)射量將是上百顆以上。例如：計(jì)劃2012年～2013年同時(shí)間發(fā)射50顆雙立星，組成星座，用來(lái)觀測(cè)全球低熱電離層狀態(tài)。每顆衛(wèi)星重2千克，由世界(大部分為高校)報(bào)名參加，軌道高度400千米左右。阿根廷計(jì)劃發(fā)射64顆“立方體”星星座，每顆納星質(zhì)量12千克，實(shí)現(xiàn)全球?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)通信。若與上世紀(jì)90年代Orbcomm數(shù)據(jù)通信星座相比較：衛(wèi)量減輕4倍，經(jīng)濟(jì)成本降低3倍。從以上實(shí)例可以看到：這種衛(wèi)星成本低，研制周期短，實(shí)用性強(qiáng)。很多國(guó)家經(jīng)濟(jì)上都能承擔(dān)，將來(lái)應(yīng)用前景一定是很好的。例如美國(guó)安德魯斯空間公司研制2種高分辨率系統(tǒng)的“立方體”納型衛(wèi)星，它們可以組成廉價(jià)的高分辨率地球觀測(cè)星座：

第一種：由2×3的6個(gè)“立方體”衛(wèi)星（6U）組成納型衛(wèi)星，技術(shù)指標(biāo)如下：

·衛(wèi)星尺寸：20厘米×20厘米×30厘米；

·質(zhì)量：8千克；

·光學(xué)孔徑：9厘米；

·光學(xué)焦距：1.2米；

·空間分辨率：3.5米（在450千米高的圓軌道）；

·姿態(tài)指向精度：0.01°；

·下行數(shù)據(jù)傳輸率：≥0.5Mbit/s；

·壽命：3年。

第二種：由4×6的24個(gè)立方體衛(wèi)星（24U）組成的納型衛(wèi)星，技術(shù)指標(biāo)如下：

·衛(wèi)星尺寸：20厘米×20厘米×60厘米；

·質(zhì)量：20千克；

·光學(xué)孔徑：18厘米；

·光學(xué)焦距：2.1米；

·空間分辨率：2.5米（在450千米高的圓軌道）；

·姿態(tài)指向精度：0.01°；

·下行數(shù)傳率：＞0.5Mbit/s；

·壽命：3年。

目前較普遍采用Walker星座：每顆納型衛(wèi)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(fǎng)時(shí)間為60分鐘，需要35顆衛(wèi)星；45分鐘，需要50顆衛(wèi)星；30分鐘，需要65顆衛(wèi)星；15分鐘，需要100顆衛(wèi)星。

6U納型衛(wèi)星結(jié)構(gòu)外形

立方體星結(jié)構(gòu)外形（A-單單元，B-多單元）

24U納型衛(wèi)星結(jié)構(gòu)外形

O/OREOS納米衛(wèi)星有效載荷功能測(cè)試

隨機(jī)儀器會(huì)及時(shí)檢查它們發(fā)生的化學(xué)變化是否一致

以第一方案為例，每顆6U組成的納型衛(wèi)星，成本約為400萬(wàn)美元?，F(xiàn)在的成本較高，批量生產(chǎn)以后成本將有較大下降。由50顆納型衛(wèi)星組成的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星星座可以實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，重訪(fǎng)時(shí)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(wèi)星成本約2億美元，低于每顆大衛(wèi)星的成本。若重訪(fǎng)時(shí)間提升到15分鐘，估計(jì)需要100顆納型衛(wèi)星，總成本為4億美元，相當(dāng)于目前1顆大衛(wèi)星的成本。投資這么少，就能完成一個(gè)能實(shí)現(xiàn)全球覆蓋、實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)感知和敏感目標(biāo)監(jiān)測(cè)的任務(wù)，頗受軍方青睞。

立方體中的生命試驗(yàn)

雖然人們知道外太空對(duì)生物并不友好，但是他們很難確定生命及與生命有關(guān)的化合物在太空停留多長(zhǎng)時(shí)間會(huì)產(chǎn)生不利影響?？茖W(xué)家為了弄清這個(gè)問(wèn)題，2010年11月19日，美國(guó)將一顆名叫“生物體/有機(jī)物暴露在軌道壓力下”(O/OREOS)的納星發(fā)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(yàn)生命和生命成分會(huì)對(duì)太空復(fù)雜環(huán)境做出怎樣的反應(yīng)。

美國(guó)以前曾進(jìn)行過(guò)類(lèi)似的太空生物學(xué)試驗(yàn)。但是那些實(shí)驗(yàn)的樣本不是漂浮在一個(gè)回收艙里，例如BIOPAN試驗(yàn)，就是被放在國(guó)際空間站外面的平臺(tái)上，例如EXPOSE設(shè)備。在進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn)時(shí)，樣本在被太空放射物照射后，都被帶回地球進(jìn)行分析。這次試驗(yàn)與以往不同的是通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行監(jiān)控。

5千克重的“生物體/有機(jī)物暴露在軌道壓力下”納星由3個(gè)邊長(zhǎng)都是10厘米的立方體組成。其中一個(gè)立方體相當(dāng)于“大腦”，另外兩個(gè)立方體負(fù)責(zé)攜帶科學(xué)實(shí)驗(yàn)物品。

第一個(gè)立方體是比較兩種類(lèi)型的微生物在太空環(huán)境下會(huì)如何進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。其中一種微生物是非常普通、生長(zhǎng)很快的枯草桿菌(Bacillus subtilis)，它是生物在太空生存時(shí)間最長(zhǎng)的記錄保持者，在美國(guó)航宇局的一顆衛(wèi)星上存活了6年。另一種是生長(zhǎng)緩慢的微生物——紅皮嗜鹽菌(Halorubrum)，這種細(xì)菌能在各種各樣的咸水環(huán)境下生存，它們也許能在火星或者木星的衛(wèi)星——木衛(wèi)二上的地下存活。在為期6個(gè)月的任務(wù)期間，隨機(jī)儀器會(huì)及時(shí)檢查它們發(fā)生的化學(xué)變化是否一致，或者它們的變化是否與太陽(yáng)活動(dòng)有關(guān)。除了要經(jīng)受太空碎片的撞擊，在地球大氣層和磁場(chǎng)的保護(hù)范圍以外，有無(wú)數(shù)粒子和高能射線(xiàn)正在等著這些勇敢的太空旅行者。它們包括重離子、質(zhì)子、電子、伽馬射線(xiàn)、X射線(xiàn)和紫外線(xiàn)。生命要想在這些地方幸存下來(lái)，它們還必須設(shè)法適應(yīng)引力更小的環(huán)境（僅為地球引力的十萬(wàn)分之一）。這種情況會(huì)對(duì)微生物如何獲得食物，以及它們?nèi)绾吻宄龔U物產(chǎn)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(jī)承受的放射物輻射的30000倍?？茖W(xué)家將通過(guò)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(xì)菌的生長(zhǎng)率和新陳代謝情況。了解微生物在太空中的進(jìn)化潛能非常重要，因?yàn)檫@有助于我們避免利用地球上的生物污染其他世界。

第二個(gè)立方體實(shí)施的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，主要是用來(lái)測(cè)量太空對(duì)4種重要的生物化合物產(chǎn)生的影響。分子乘客的名單包括一個(gè)氨基酸(蛋白質(zhì)的組成成分)和一個(gè)多環(huán)芳香烴化合物(太空中最普遍的一種有機(jī)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(yáng)系的4個(gè)不同的微小環(huán)境里?？茖W(xué)家將通過(guò)測(cè)量它們吸收的紫外線(xiàn)和可見(jiàn)光的數(shù)量，研究每個(gè)分子樣本。這些分子的存活率將幫助科學(xué)家確定是否地球上的一些生物化學(xué)物質(zhì)曾在太空游蕩，后來(lái)被隕石送上地球。

跟“生物體/有機(jī)物暴露在軌道壓力下”納星設(shè)計(jì)類(lèi)似，而且飛入軌道的還包括查看細(xì)菌對(duì)微重力環(huán)境的反應(yīng)的“基因星(GeneSat)”衛(wèi)星和在2010年5月7日發(fā)射升空，用來(lái)研究酵母在太空中行為表現(xiàn)的“PharmaSat”衛(wèi)星。

Walker星座重訪(fǎng)時(shí)間與衛(wèi)星數(shù)量關(guān)系（軌道傾角55°）

O/OREOS納米衛(wèi)星