立方星，是從質量和幾何尺寸等維度對衛星平臺的描述。現階段國際立方星已認識到立方星在空間探索與發現中的重要作用，並取得了重要科學發現和成果。美歐航天強國十分重視發展立方星空間科學任務，中國空間科學界也應進一步關注立方星的發展，利用立方星平臺開展研究，與傳統大中型空間科學衛星形成互補，推進多點探測，獲取多樣化數據；補充探測手段，提高探測分辨率；開展概念驗證，培育重大空間科學任務。
01
立方星是航天器平臺發展的新增長極
微/納衛星和立方星，是從質量和幾何尺寸等維度對衛星平臺的描述。立方星概念一經產生，即在國際掀起研究熱潮。2003年世界第一批立方體星成功發射，開啟了空間演示試驗與應用階段。2013年用於商業和科學研究的立方星數量成倍增加，成為立方星快速發展的新起點。2014年立方星入選Science“世界十大科學突破”，指出 “小小立方星，可做大科學”。
立方星結構尺寸不等，小的有0.25U，大的有27U，甚至更大，圖1為荷蘭ISIS公司的典型立方星結構。截至2019年4月，已發射的立方星中3U的立方星佔比最多，達到近1/3；其次為1U，佔比接近 1/5。從資助機構上看，近年來商業航天發展迅猛，首先商業立方星佔比超過50%，其次是高校、政府機構以及國防部門（圖2）。此外，美國發射的各個尺寸立方星數量比較均衡、尺寸相對較小、功能相對較強，中國的立方星在尺寸上仍偏大，在技術層面與美國相比有一定差距。
圖1 ISIS公司典型的立方星結構
圖2 立方星尺寸與資助機構佔比
從應用領域上看，立方星已應用到技術驗證、衛星通信、遙感成像、科學探索、高校教學、國防應 用、科普等各個領域。其中，用於技術驗證的佔比最多，達到71%，其次遙感應用佔比13%，而用於科學方面的僅佔8%，如圖3（a）所示。近兩年來，用於科學研究的立方星數量大幅增長，預期未來其發射數量仍將保持增長趨勢，如圖3（b）所示。
圖3 已發射立方星應用領域佔比及科學應用立方星數量
從立方星發射的國家來看，截至2019年4月， 美國處於領先的地位，總共發射了741顆立方星，佔全球的73%；中國發射立方星數量位居世界第二，共有34顆，佔比3%，但在數量上跟美國相比存在相當大的差距，如圖4（a）所示。但是，中國發射的立方星數量總體呈上升趨勢，在發射總量中的佔比呈逐年增加的趨勢。尤其是2018年，全球包括美國在內，在發射數量減少的情況下，中國依然保持了增長趨勢，如圖4（b）所示。
圖4 各國發射立方星數量及中美髮射立方星數量對比
截至2019年6月，全球共發射微小衛星1186顆，其中立方星1088顆。尤其是近5年來，世界範圍內每年成功發射的立方星數量連續超過100 顆，最近兩年來發射量更是總共超過了500顆，立方星已成為航天活動的重要發展領域和新增長極（圖5）。與此同時，中國的立方星技術日趨成熟， 應用領域主要集中在技術驗證製造和發射能力已位居國際前列，為利用立方星開展科學探測奠定了基礎。
圖5 2005—2018年世界立方星的發射數量
02
立方星在空間科學探測中的作用
已取得重要科學發現和成果的立方星任務
空間天氣實驗立方星（CSSWE）。“探索者一號”發現了地球輻射帶的存在：外輻射帶主要是高能電子，主要來自太陽風；內輻射帶主要是高能質子。一種理論認為，銀河系的高能宇宙線進入地球磁層，與高層大氣中的原子碰撞產生 “反照中子”，之後衰變為質子和電子以及反電子中微子，這個過程被稱為宇宙線反照中子衰變（CRAND）。反照中子的絕大部分動量會分配給新產生的質子，後者被地球磁場捕獲後，就成了內輻射帶中高能質子的來源。但是60餘年過去了，沒能真正探測到CRAND過程中形成的電子，這也成為困擾空間物理學家的未解之謎。
美國科羅拉多大學波德（Boulder）分校李炘璘研製了3U立方星CSSWE，致力於揭示地球輻射帶電子變異特性的觀測，成功得出了這一難題的答案，如圖6（a）和圖6（b）所示。CSSWE測量了地球輻射帶上的高能質子和電子通量，首次在內輻射帶直接探測到了CRAND過程形成的高能電子，並 證實這些電子的確來自中子衰變，其相關成果發表 在《Nature》上，如圖6（c）所示。
圖6 空間天氣實驗立方星研製運行及科學發現示意
火星洞察號立方星伴星（Marco-A/B）。2018年，以卡通明星“瓦力”（Wall-E）和“伊娃”（Eva）名字命名的6U“雙胞胎”迷你衛星—— “火星立方星一號” A和B（Marco-A/B, Mars Cube One-A/B）與“洞察號”（InSight）同行，成為首批進入行星際空間的立方星，它們承載著小型化深空通信設備的測試任務，完成了多項通信和飛行導航實驗，並在“洞察號”進入火星大氣、下降和著陸時，把遠距離遙測結果直接發回了地球。除此之外，Mar⁃CO-A在飛越火星的過程中還利用無線電信號，進行了反推火星大氣成分的科學探測；MarCO-B在“洞察”號著陸後不久便傳回了拍攝的火星圖像（圖7）。MarCO立方星任務的成功表明，立方星能夠為大型深空探測任務提供支持，這為立方星的應用 開闢了新機遇。
圖7 Marco立方星結構示意圖與通信示意（圖片來源：NASA）
QB50項目。QB50項目是歐盟主導的基於立方星的國際合作項目，比利時馮•卡門流體力學研究所（VKI）是項目大總體，德國大氣物理研究所（IAP）是項目科 學總體。該項目是迄今最大規模的200～380km 高度的地球低熱層大氣低成本、長時間、多點原位探測，獲得的低熱層數據能夠進一步完善地球大氣模型，具有重要的科學價值。首先，它凸顯了立方星空間科學任務“用很少的錢做很大的事”的特點，該項目僅以800萬歐元的投資就牽引了世界90多個國家、地區和機構參與，其中多數為高校，產生了巨大了國際影響。其次，該項目致力於“人類幾乎未做過的事”——探測人類尚未深入涉足的低熱層大氣，帶動了國際立方星項目的發展。QB50項目計劃由50顆立方星組成星座，實際發射38顆衛星，包括2顆技術試驗衛星和36顆科學探測衛星（圖8）。
圖8 QB50兩次發射任務介紹
正在研製的月球和小行星探測立方星任務
月球極區氫測繪（LunaH-Map）。LunaH-Map由亞利桑那州立大學負責設計、研製和運行，質量約13.6kg，將是太空發射系統（SLS）與獵戶座飛船的首飛（EM-1）發射的立方星之一。EM-1將搭載13個6U大小的立方星，全部用於開展環月任務，部分任務還將達到月球以遠區域。LunaH-Map到達月球軌道後將進行為期60天的科學探測，利用兩個中子光譜儀探測月球南極水冰，繪製近月表的氫分佈，有望生成迄今為止月球水冰最詳細的分佈圖，揭示水冰的深度和分佈的新細節，為未來載人月球任務奠定基礎（圖9）。
圖9 LunaH-Map結構及科學探測範圍示意
天火立方星任務（SkyFire）。SkyFire是洛克希德•馬丁公司研製的6U立方星，將搭載EM-1任務發射。它將首次採用全新的紅外相機技術，拍攝月球表面及其環境的圖像；完成飛越月球和數據收集後，還將進行拓展的基於立方星的技術演示，包括機動和操作，支撐未來載人深空和火星探測任務中瓶頸問題的解決（圖10）。
圖10 洛克希德•馬丁公司的SkyFire立方星收集月球表面數據示意
小行星起源衛星AOSAT。AOSAT是亞利桑那州立大學研製的一個體積為3U大小的科學實驗室，將成為世界上第一臺立方星的離心機。它將在立方星上進行一系列獨特的科學和技術試驗，以回答太陽系如何形成和理解小行星和彗星表面動力學的基本問題（圖11）。
圖11 AOSATI 設計（圖片來源：NASA）
03
美歐航天強國重視發展立方星空間科學任務
美歐等航天強國或機構充分認識到了立方星，在空間科學任務中的獨特作用。從2010年開始NASA就實施了“立方星發射倡議（CSLI）”，每年為1~6U立方星提供免費搭載機會，表明基於立方星的科學研究應用越來越受到重視。NASA還通過“百年挑戰”項目中設立的“立方星探索挑戰賽”為立方星提供搭載深空探測任務機會，使其能夠在月球附近和更遠深空執行先進的空間操作。
在2017年第48屆月球與行星學會大會上， NASA資助了10個利用小型衛星開展金星、月球、小行星、火星探測的項目，其中多個項目均是基於立方星平臺開展科學探測。例如馬里蘭大學的立方星紫外實驗CUVE項目，利用12U立方衛星，測量紫外線吸收以及夜輝排放的金星大氣動力學（圖12）；史密松天體物理天文臺的立方星X射線望遠鏡CubeX項目，利用12U立方星繪製月球的元素組成，理解月球形成和演化史（圖13）；戈達德太空飛行中心的漩渦之上月球大氣雙衛星天文臺 BOLAS項目，使用12U立方星調查月球的氫循環（圖14）；約翰遜宇航中心的科學和勘探立方星小行星遭遇戰CAESAR項目，用6U立方星群評估小行星的屬性，研究其物理結構、形成和演進史等（圖15）。2018年，NASA啟動“天體物理學微型衛星研究”計劃ROSES，面向天體物理學家徵集用小型衛星進行宇宙天體物理研究的建議，2019年6月，NASA宣佈兩個日球層立方星任務正式實施。
圖12 CUVE任務概念
圖13 CubeX的任務載荷
圖14 BOLAS的雙星探月過程（圖片來源：NASA）
圖15 CAESAR任務概念（圖片來源：維基百科）
04
結論
中國空間科學界應進一步關注立方星的發展。中國立方星平臺及載荷等相關技術日趨成熟，基於立方星參與了國際上部分空間科學探測項目。“十二五”期間以“悟空”“墨子號”等為代表的空間科學衛星產出了一批重大科學成果，但這些衛星仍屬於傳統意義上的中型或大型衛星，建議國內空間科學界進一步關注立方星的發展，利用該平臺開展研究，與傳統大中型空間科學衛星形成互補，增強並拓展相關領域的探測能力，有效降低任務難度並縮短研製週期，促進中國空間科學取得更多重大發現和突破。
推進多點探測，獲取多樣化數據。在現有大型衛星任務和地面觀測設施基礎上，立方星可以用作有針對性的空間科學探測工具，通過多個立方星構成星座，實現高頻率、多手段、大範圍的多點原位測量，增加觀測區域，實施更多的科學觀測任務，進一步有效提升觀測能力。
補充探測手段，提高探測分辨率。利用立方星平臺，可以填補空間科學的很多空白，有效彌補傳統大衛星進行探測的侷限性，實現大型科學衛星與立方星（群/座）協同探測的互補，以及天基立方星探測與地基臺站觀測的協同。
開展概念驗證，培育重大空間科學任務。為進一步推動中國空間科學的發展，中國應加強對空間科學原創性想法和概念的培育力度，可部署立方星用於概念檢驗和關鍵技術驗證。利用立方星成本低、研製週期短的優勢，迅速佐證科學設想，消除科學家對空間技術驗證的“畏難感”，有效降低任務難度，為推動空間科學重大任務立項奠定基礎。以空間天文領域為例，立方星可以用於新興的時域天文學觀測，作為專用航天器長時間凝視某 個感興趣的天體或天域目標，還可以通過構成星座或陣列，進行多孔徑干涉測量。
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