立方星，是从质量和几何尺寸等维度对卫星平台的描述。现阶段国际立方星已认识到立方星在空间探索与发现中的重要作用，并取得了重要科学发现和成果。美欧航天强国十分重视发展立方星空间科学任务，中国空间科学界也应进一步关注立方星的发展，利用立方星平台开展研究，与传统大中型空间科学卫星形成互补，推进多点探测，获取多样化数据；补充探测手段，提高探测分辨率；开展概念验证，培育重大空间科学任务。
01
立方星是航天器平台发展的新增长极
微/纳卫星和立方星，是从质量和几何尺寸等维度对卫星平台的描述。立方星概念一经产生，即在国际掀起研究热潮。2003年世界第一批立方体星成功发射，开启了空间演示试验与应用阶段。2013年用于商业和科学研究的立方星数量成倍增加，成为立方星快速发展的新起点。2014年立方星入选Science“世界十大科学突破”，指出 “小小立方星，可做大科学”。
立方星结构尺寸不等，小的有0.25U，大的有27U，甚至更大，图1为荷兰ISIS公司的典型立方星结构。截至2019年4月，已发射的立方星中3U的立方星占比最多，达到近1/3；其次为1U，占比接近 1/5。从资助机构上看，近年来商业航天发展迅猛，首先商业立方星占比超过50%，其次是高校、政府机构以及国防部门（图2）。此外，美国发射的各个尺寸立方星数量比较均衡、尺寸相对较小、功能相对较强，中国的立方星在尺寸上仍偏大，在技术层面与美国相比有一定差距。
图1 ISIS公司典型的立方星结构
图2 立方星尺寸与资助机构占比
从应用领域上看，立方星已应用到技术验证、卫星通信、遥感成像、科学探索、高校教学、国防应 用、科普等各个领域。其中，用于技术验证的占比最多，达到71%，其次遥感应用占比13%，而用于科学方面的仅占8%，如图3（a）所示。近两年来，用于科学研究的立方星数量大幅增长，预期未来其发射数量仍将保持增长趋势，如图3（b）所示。
图3 已发射立方星应用领域占比及科学应用立方星数量
从立方星发射的国家来看，截至2019年4月， 美国处于领先的地位，总共发射了741颗立方星，占全球的73%；中国发射立方星数量位居世界第二，共有34颗，占比3%，但在数量上跟美国相比存在相当大的差距，如图4（a）所示。但是，中国发射的立方星数量总体呈上升趋势，在发射总量中的占比呈逐年增加的趋势。尤其是2018年，全球包括美国在内，在发射数量减少的情况下，中国依然保持了增长趋势，如图4（b）所示。
图4 各国发射立方星数量及中美发射立方星数量对比
截至2019年6月，全球共发射微小卫星1186颗，其中立方星1088颗。尤其是近5年来，世界范围内每年成功发射的立方星数量连续超过100 颗，最近两年来发射量更是总共超过了500颗，立方星已成为航天活动的重要发展领域和新增长极（图5）。与此同时，中国的立方星技术日趋成熟， 应用领域主要集中在技术验证制造和发射能力已位居国际前列，为利用立方星开展科学探测奠定了基础。
图5 2005—2018年世界立方星的发射数量
02
立方星在空间科学探测中的作用
已取得重要科学发现和成果的立方星任务
空间天气实验立方星（CSSWE）。“探索者一号”发现了地球辐射带的存在：外辐射带主要是高能电子，主要来自太阳风；内辐射带主要是高能质子。一种理论认为，银河系的高能宇宙线进入地球磁层，与高层大气中的原子碰撞产生 “反照中子”，之后衰变为质子和电子以及反电子中微子，这个过程被称为宇宙线反照中子衰变（CRAND）。反照中子的绝大部分动量会分配给新产生的质子，后者被地球磁场捕获后，就成了内辐射带中高能质子的来源。但是60余年过去了，没能真正探测到CRAND过程中形成的电子，这也成为困扰空间物理学家的未解之谜。
美国科罗拉多大学波德（Boulder）分校李炘璘研制了3U立方星CSSWE，致力于揭示地球辐射带电子变异特性的观测，成功得出了这一难题的答案，如图6（a）和图6（b）所示。CSSWE测量了地球辐射带上的高能质子和电子通量，首次在内辐射带直接探测到了CRAND过程形成的高能电子，并 证实这些电子的确来自中子衰变，其相关成果发表 在《Nature》上，如图6（c）所示。
图6 空间天气实验立方星研制运行及科学发现示意
火星洞察号立方星伴星（Marco-A/B）。2018年，以卡通明星“瓦力”（Wall-E）和“伊娃”（Eva）名字命名的6U“双胞胎”迷你卫星—— “火星立方星一号” A和B（Marco-A/B, Mars Cube One-A/B）与“洞察号”（InSight）同行，成为首批进入行星际空间的立方星，它们承载着小型化深空通信设备的测试任务，完成了多项通信和飞行导航实验，并在“洞察号”进入火星大气、下降和着陆时，把远距离遥测结果直接发回了地球。除此之外，Mar⁃CO-A在飞越火星的过程中还利用无线电信号，进行了反推火星大气成分的科学探测；MarCO-B在“洞察”号着陆后不久便传回了拍摄的火星图像（图7）。MarCO立方星任务的成功表明，立方星能够为大型深空探测任务提供支持，这为立方星的应用 开辟了新机遇。
图7 Marco立方星结构示意图与通信示意（图片来源：NASA）
QB50项目。QB50项目是欧盟主导的基于立方星的国际合作项目，比利时冯•卡门流体力学研究所（VKI）是项目大总体，德国大气物理研究所（IAP）是项目科 学总体。该项目是迄今最大规模的200～380km 高度的地球低热层大气低成本、长时间、多点原位探测，获得的低热层数据能够进一步完善地球大气模型，具有重要的科学价值。首先，它凸显了立方星空间科学任务“用很少的钱做很大的事”的特点，该项目仅以800万欧元的投资就牵引了世界90多个国家、地区和机构参与，其中多数为高校，产生了巨大了国际影响。其次，该项目致力于“人类几乎未做过的事”——探测人类尚未深入涉足的低热层大气，带动了国际立方星项目的发展。QB50项目计划由50颗立方星组成星座，实际发射38颗卫星，包括2颗技术试验卫星和36颗科学探测卫星（图8）。
图8 QB50两次发射任务介绍
正在研制的月球和小行星探测立方星任务
月球极区氢测绘（LunaH-Map）。LunaH-Map由亚利桑那州立大学负责设计、研制和运行，质量约13.6kg，将是太空发射系统（SLS）与猎户座飞船的首飞（EM-1）发射的立方星之一。EM-1将搭载13个6U大小的立方星，全部用于开展环月任务，部分任务还将达到月球以远区域。LunaH-Map到达月球轨道后将进行为期60天的科学探测，利用两个中子光谱仪探测月球南极水冰，绘制近月表的氢分布，有望生成迄今为止月球水冰最详细的分布图，揭示水冰的深度和分布的新细节，为未来载人月球任务奠定基础（图9）。
图9 LunaH-Map结构及科学探测范围示意
天火立方星任务（SkyFire）。SkyFire是洛克希德•马丁公司研制的6U立方星，将搭载EM-1任务发射。它将首次采用全新的红外相机技术，拍摄月球表面及其环境的图像；完成飞越月球和数据收集后，还将进行拓展的基于立方星的技术演示，包括机动和操作，支撑未来载人深空和火星探测任务中瓶颈问题的解决（图10）。
图10 洛克希德•马丁公司的SkyFire立方星收集月球表面数据示意
小行星起源卫星AOSAT。AOSAT是亚利桑那州立大学研制的一个体积为3U大小的科学实验室，将成为世界上第一台立方星的离心机。它将在立方星上进行一系列独特的科学和技术试验，以回答太阳系如何形成和理解小行星和彗星表面动力学的基本问题（图11）。
图11 AOSATI 设计（图片来源：NASA）
03
美欧航天强国重视发展立方星空间科学任务
美欧等航天强国或机构充分认识到了立方星，在空间科学任务中的独特作用。从2010年开始NASA就实施了“立方星发射倡议（CSLI）”，每年为1~6U立方星提供免费搭载机会，表明基于立方星的科学研究应用越来越受到重视。NASA还通过“百年挑战”项目中设立的“立方星探索挑战赛”为立方星提供搭载深空探测任务机会，使其能够在月球附近和更远深空执行先进的空间操作。
在2017年第48届月球与行星学会大会上， NASA资助了10个利用小型卫星开展金星、月球、小行星、火星探测的项目，其中多个项目均是基于立方星平台开展科学探测。例如马里兰大学的立方星紫外实验CUVE项目，利用12U立方卫星，测量紫外线吸收以及夜辉排放的金星大气动力学（图12）；史密松天体物理天文台的立方星X射线望远镜CubeX项目，利用12U立方星绘制月球的元素组成，理解月球形成和演化史（图13）；戈达德太空飞行中心的漩涡之上月球大气双卫星天文台 BOLAS项目，使用12U立方星调查月球的氢循环（图14）；约翰逊宇航中心的科学和勘探立方星小行星遭遇战CAESAR项目，用6U立方星群评估小行星的属性，研究其物理结构、形成和演进史等（图15）。2018年，NASA启动“天体物理学微型卫星研究”计划ROSES，面向天体物理学家征集用小型卫星进行宇宙天体物理研究的建议，2019年6月，NASA宣布两个日球层立方星任务正式实施。
图12 CUVE任务概念
图13 CubeX的任务载荷
图14 BOLAS的双星探月过程（图片来源：NASA）
图15 CAESAR任务概念（图片来源：维基百科）
04
结论
中国空间科学界应进一步关注立方星的发展。中国立方星平台及载荷等相关技术日趋成熟，基于立方星参与了国际上部分空间科学探测项目。“十二五”期间以“悟空”“墨子号”等为代表的空间科学卫星产出了一批重大科学成果，但这些卫星仍属于传统意义上的中型或大型卫星，建议国内空间科学界进一步关注立方星的发展，利用该平台开展研究，与传统大中型空间科学卫星形成互补，增强并拓展相关领域的探测能力，有效降低任务难度并缩短研制周期，促进中国空间科学取得更多重大发现和突破。
推进多点探测，获取多样化数据。在现有大型卫星任务和地面观测设施基础上，立方星可以用作有针对性的空间科学探测工具，通过多个立方星构成星座，实现高频率、多手段、大范围的多点原位测量，增加观测区域，实施更多的科学观测任务，进一步有效提升观测能力。
补充探测手段，提高探测分辨率。利用立方星平台，可以填补空间科学的很多空白，有效弥补传统大卫星进行探测的局限性，实现大型科学卫星与立方星（群/座）协同探测的互补，以及天基立方星探测与地基台站观测的协同。
开展概念验证，培育重大空间科学任务。为进一步推动中国空间科学的发展，中国应加强对空间科学原创性想法和概念的培育力度，可部署立方星用于概念检验和关键技术验证。利用立方星成本低、研制周期短的优势，迅速佐证科学设想，消除科学家对空间技术验证的“畏难感”，有效降低任务难度，为推动空间科学重大任务立项奠定基础。以空间天文领域为例，立方星可以用于新兴的时域天文学观测，作为专用航天器长时间凝视某 个感兴趣的天体或天域目标，还可以通过构成星座或阵列，进行多孔径干涉测量。
閱讀更多 明日情報 的文章
