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作者：白青江 時蓬 範全林
中國科學院國家空間科學中心
空間科學與深空探測規劃論證中心
一、立方星成為科學衛星大家庭的新選手
空間科學是以太空飛行器為主要平臺，研究發生在地球空間、日地空間、行星際空間乃至整個宇宙空間的物理、天文、化學以及生命等自然現象及其規律的科學。目前，太空飛行器正朝著越來越大和越來越小的兩個方向發展，即一方面研製綜合型、高功率的大型衛星，如美國航空航天局(NASA)將於2020年之後發射的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡(JWST)，質量為6.2噸，主反射鏡口徑達到6.5米；另一方面研製質量輕、微型化的小型衛星。其中，立方星是採用國際通用標準的微納衛星，以U為單位，1U體積為10cm×10cm×10cm，1U重量一般不超過1.33kg。根據任務的需要，可將立方體衛星擴展為2U(10cm×10cm×20cm)、3U、甚至16U或更大。
圖1 1U立方星示意圖（圖片來源：韋伯州立大學）
立方星採用商用現貨部件和標準、模塊化的設計，成本低、功能密度大、研製周期短，為更多人開展科學研究和技術開發提供了可能，包括學生、各種規模的高等院校、技術開發人員和眾包(crowd sourcing)活動等，為空間探索帶來了革命性的變化。立方星的概念由加州州立理工大學(Cal Poly)和史丹福大學的若迪·普伊格-蘇阿里(Jordi Puig-Suari)教授和鮑伯·特維格斯(Bob Twiggs)教授於1999年發起，一經提出即在國際上掀起研究熱潮。2003年，世界第一批立方星成功發射，開啟了空間演示試驗與應用階段。2013年是立方星快速發展的新起點，用於商業和科學研究的立方星數量成倍增加。截至2019年1月，人類已發射超過1000顆立方星，其中900多顆成功入軌；近兩年來用於科學研究的立方星數量大幅增長，詳見圖2所示，立方星已成為科學衛星大家庭的新選手。
一般來講，每個立方星可以開展獨立的科學觀測，絕大多數立方星會攜帶1~2個科學儀器，作為其主要的有效載荷；也可以開展編隊飛行，獲得更高的空間解析度和時間解析度，例如既可以探索木衛二的 冰核，也可以開展遙遠星系和黑洞的極低頻能量探測。立方星還可以形成一個「集群」(hub)，其中心太空飛行器負責複雜的計算和數據傳輸，每個立方星具有單一、聚焦的特點，可以不斷增加數量或者替換出現故障的單元。
圖2 2011~2018 年用於科學應用的立方星數量
二、立方星開啟空間科學新發現
隨著立方星平臺的發展和成熟，已經成為空間科學探索的重要手段之一。近年來，立方星大量用於在近地軌道開展空間科學研究，產生了很多創新的思想，而非僅僅作為教學工具或工程與技術驗證。國際上已通過一系列立方星平臺取得了重要的科學發現和成果，如美國的「空間天氣實驗」(Colorado Student Space Weather Experiment, CSSWE)、微型X射線太陽光譜立方星(Miniature X-ray Solar Spectrometer CubeSat, MinXSS)項目，以及歐洲牽頭實施的QB50項目等。
MinXSS任務是由美國國家科學基金會(NSF)資助、密西根大學建造的3U立方星，於2016年5月部署在國際空間站上，在儒溫拉瑪蒂太陽高能分光成像儀(Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager, RHESSI)和界面區成像光譜儀(Interface Region Imaging Spectrograph, IRIS)任務未能覆蓋的能量波段進行了科學研究和測量，進行了「填空」觀測。
QB50項目是歐盟2011年主導發起的國際合作項目，計劃由約50顆2U和3U立方體衛星組成星座，對200~380km 地球大氣低熱層進行就位探測。我國共五個大學參加了該項目，包括西北工業大學「翱翔一號」(Aoxiang-1)、哈爾濱工業大學「紫丁香1號衛星」(LilacSat-1)、南京理工大學「南理工一號立方星」(NJUST-1)、「國立」成功大學「鳳凰號」(Phoenix，中國臺灣)和國防科技大學「國防科大立方星」(NUDTSat)。
隨著美國科學家於2015年9月14日在地面探測到引力波並獲得2017年諾貝爾獎，對引力波電磁對應體的探測成為空間天文學探測的新熱點。除了中科院空間科學(二期)先導專項正在研製的引力波暴高能電磁對應體全天監測器(GECAM)小衛星外，基於立方星的「天格計劃」(Gamma Ray IntegratedDetectors, GRID)也值得關注。該計劃是由清華大學發起的大學生實踐計劃，計劃在2018~2023年內約600 千米的不同軌道發射24顆6U立方星組成星座，探測引力波電磁對應體。其首顆立方星已於2018年10月底發射入軌，採用新型閃爍晶體與半導體光電倍增器件開展對空間伽馬射線的探測。
圖3 QB50 項目示意圖(a)；參與QB50 項目的中國立方星(b)，從左至右：翱翔一號、「紫丁香1 號衛星」、「南理工一號立方星」、「鳳凰號」(中國臺灣)、「國防科大立方星」
圖4 天格計劃首顆實驗衛星及其載荷（圖片來源：清華大學）
與此同時，立方星也已開始進入深空探測領域，數個月球和火星任務計劃利用立方星開展研究。MarCO立方星是NASA於2018年發射的兩個行李箱大小的6U立方星，成為首批進入行星際空間的立方星，完成了眾多有風險的深空導航和通信實驗，其中MarCO-A在飛越火星的過程中還利用其穿過火星大氣時無線電信號的變化，進行了反推火星大氣成分的科學探測；MarCO-B在「洞察」號著陸不久後在離火星表面6000km處傳回了火星的圖像，這也是由立方星首次拍攝的火星圖像。
囿於篇幅限制，本文將主要介紹CSSWE 任務取得的科學發現。
CSSWE任務是美國國家科學基金會資助的3U立方星，即一個鞋盒狀大小的粒子空間望遠鏡衛星，由美國科羅拉多大學博爾德分校大氣和空間物理實驗室的本科生和研究生組成的團隊設計和運行，設計壽命3個月，實際運行超過2年。2012年9月，CSSWE搭載在ELaNa VI 任務上發射升空進入地球軌道，旨在測量高能太陽質子及電子通量，有助於科學家理解太陽高能質子、耀斑和日冕物質拋射(CME)之間的關係，以及對地球空間天氣的影響。
圖5 MarCO-A and MarCO-B土星運行示意圖（圖片來源：NASA）
科羅拉多大學李炘璘教授領導的研究小組在Nature期刊發表的研究報告中指出，根據CSSWE任務的探測數據，在範·艾倫輻射帶發現了高能電子，這一發現證實了之前科學家對範·艾倫輻射帶形成原理的理論解釋，即內輻射帶中(主要在其內部邊緣)的高能電子是超新星爆發時宇宙射線的作用下形成的，具體如圖7所示。這些強烈的宇宙射線猛烈撞擊地球附近的原子，導致其中子發生衰變，在宇宙射線反照率中子衰變過程中分解成為質子和電子，然後被地球磁場俘獲。由此，形成了環繞地球的範·艾倫輻射帶。範·艾倫輻射帶會對太空飛行器造成一定的危害。自從人類於1958年利用「探索者1號」首次發現範·艾倫輻射帶(圖8)以後，美國和俄羅斯科學家一致認為，「宇宙射線反照中子衰變」的過程很可能是地球磁場捕獲的高能粒子的來源，但之後的60年來，人類一直未能探測到中子衰變產生的相應電子。CSSWE的成果是人類首次在範·艾倫輻射帶內部邊緣附近發現高能電子，最終揭開了困擾科學家60年的謎團。
圖6 CSSWE立方星（圖片來源：科羅拉多大學博爾德分校）
圖7 根據CSSWE的探測數據，地球磁場不同地點（L：從地球核心磁場到某一個磁力線的距離）的0.5 MeW電子通量，表明被捕獲的來自範·艾倫輻射帶的電子
可見，立方星經過數十年的發展，從最初的教育工具、技術驗證方面的功能，已經發展成為了承載空間科學領域發現的重要平臺，在科學研究方面發揮著不可替代的重要作用。
圖8 2013 年，通過分析範·艾倫探測器數據，科學家發現地球輻射帶中出現第三個輻射帶（紅色）（圖片來源：Yuri Shprits, Adam Kellerman, Dmitri Subbotin/加州大學洛杉磯分校）
三、立方星在空間科學探索中的作用得到高度重視
世界主要空間機構越來越重視立方星，利用立方星開展空間科學探索。國際空間研究委員會(COSPAR)、美國國家科學院(NAS)、美國國家科學基金會(NSF)等機構，組織了相關會議，研討立方星開展空間科學探索的優勢和劣勢等，並發布了相關研究報告和路線圖，如《利用小衛星開展空間科學研究》(Small Satellites for Space Science)、《立方星用於科學探索》(Achieving Science with CubeSats)等。
2014 年，立方體衛星入選美國《科學》雜誌十大科學突破，指出「小小立方星，可做大科學」(The little boxes are starting to do real science.)。歐美許多高校及科研機構均已成功進行了立方體衛星在軌驗證等。
圖9 2014 年，立方體衛星入選美國《科學》雜誌十大科學突破
近年來，美國NASA陸續發起了一系列倡議、挑戰賽等活動，推動立方星用於空間科學研究和相應的技術開發。NASA載人探索和運行任務部發起了「立方星發射倡議」(CubeSat Launch Initiative, CSLI)，其立方星用於科學研究的比例已近50%，如圖10所示；NASA空間技術任務部還設立「立方星探索挑戰賽」，為立方星提供搭載深空探測任務的機會，使其能夠在月球附近和更遠深空執行先進空間任務；NASA空間科學部在「探索者計劃」(Explorers)框架下遴選了日球層物理小型科學任務等，旨在研究太陽風及其動力學效應。NASA三大空間任務部皆對立方星進行了相關部署，對立方星的重視可見一斑。下文將從NASA空間科學任務部部署的兩個日球層物理小型科學任務展開，進行相關闡述和分析。
圖10 NASA「立方星發射倡議」（圖片來源：NASA）
NASA科學任務部於2019年6月遴選了兩個小型日球層物理科學任務，旨在深入研究太陽風及其動力學效應，並為美國太空人重返月球及相關關鍵技術(Artmis 計劃，2024年)奠定基礎。這兩個任務分別是「日冕和日球層聯繫偏振探測立方星座」(Polarimeter to Unify the Corona and Heliosphere, PUNCH)和「串聯磁重聯和極尖區電動力學探測雙星」(Tandem Reconnection and Cusp Electrodynamics Reconnaissance Satellites, TRACERS)。
圖11 NASA遴選了PUNCH和TRACERS任務研究太陽風及其動力學效應（圖片來源：NASA）
圖12 PUNCH示意圖（圖片來源：美國西南研究所）
PUNCH由4個行李箱大小的6U立方星組成星座開展編隊飛行，軌道高度560km(晨昏軌道)，其中1顆星利用窄視場成像儀(NFI)觀測太陽日冕的結構，另外3 顆星搭載寬視場成像儀(WFIs)研究CME在行星際的傳播。PUNCH將首次對在內日球層傳播的太陽風暴開展實時3D偏振成像探測。首席科學家是來自美國西南研究所的太陽物理學家克雷格·德弗雷斯特(Craig DeForest)博士。預算方面，包括發射費在內，其總預算不超過1.65億美元，屬於探索者計劃的小型任務。
TRACERS包括2顆小衛星，將搭載高能電子探測器和感應式磁力儀，對磁層頂和北極極尖區的電子噴流和磁場進行實時就位測量。太陽耀斑的爆發、CME的形成、太陽風-行星磁層在邊界層的相互作用、行星磁尾蓄積能量的爆發等，都是磁場重聯的不同表現形式。TRACERS將覆蓋磁層頂日下點和極尖區，對該區域的串聯磁重聯事件驅動的空間天氣現象和規律進行同步探測。其首席科學家是來自美國愛荷華大學的物理學家Craig Kletzing教授。上文提到的範·艾倫輻射帶就是該校的詹姆斯·范·艾倫(James Van Allen)教授利用世界首顆科學衛星——探索者1號(Explorer-1)發現的。由於TRACERS將搭載PUNCH任務一同發射，不考慮搭載費用，其預算不超過1.15億美元，同屬於探索者計劃的小型任務。
NASA強調，PUNCH任務的4個6U立方星和TRACERS任務的2顆小衛星將於2022年8月前一同打包發射，一方面降低成本；另一方面，兩個任務將聯合開展大科學(big science)/先進科學(highclassscience)研究。
PUNCH和TRACERS由NASA戈達德航天飛行中心(GSFC)的探索者計劃辦公室管理。探索者計劃通過創新、低成本和高效的管理模式，旨在為天體物理學和日球層物理學領域的科學研究提供頻繁的發射機會，對大型任務未能覆蓋的前沿領域進行「填空」。1958年發現範·艾倫輻射帶的「探索者一號」就是該計劃的第一顆衛星。在探索者計劃的框架下，已經陸續發射逾90個任務，取得了一系列重大的科學發現和成果，並有多位科學家們基於衛星數據獲得了諾貝爾獎，如1970年發射的X射線探測衛星「烏呼魯」(Uhuru)以及1989年發射的微波背景探測衛星(Cosmic Background Explorer, COBE)。該計劃主要採用首席科學家負責制(PIled)，包括五類任務：中型任務(1.8億~2億美元)、小型任務(≤1.2億美元)和大學研發衛星(≤1500萬美元)、機會任務(≤5500萬美元)和國際合作機會任務。
圖14 NASA 探索者計劃（圖片來源：NASA）
美國發展了類型完備、學科全面的空間科學計劃，高度重視立方星等微小衛星，對科學任務進行合理布局。近年來，立方星在空間科學探索中作用愈來愈得到重視，美國的成功實踐值得我們思考和借鑑。
四、期待立方星助力我國科學家實現夢想
綜上所述，國際上經過數十年的發展，立方星已成為一種成熟的衛星平臺，為科學探索提供了一種更為靈活的工具，目前已取得了令人讚嘆的成就。
目前，我國空間科學事業進入了新的發展階段，日益走近世界舞臺的中央。空間科學先導專項成功實施，發射了「悟空」、「實踐十號」、「墨子號」和「慧眼」等任務，已取得了一系列重大成果。空間科學(二期)先導專項已經立項實施多個衛星工程，預計將在時域天文學、太陽磁場與爆發的關係、太陽風-磁層相互作用規律、引力波電磁對應體等領域取得重大原創成果。然而，以上這些任務都屬於規模較大的衛星工程。在利用立方星平臺進行空間科學探測方面，雖然參與了個別國際合作項目，但總的來說，我國發展仍較為滯後。
令人欣喜的是，作為我國空間科學發展的排頭兵，中國科學院日益重視基於立方星平臺的空間科學任務培育。據悉在2019年部署的空間科學(二期)先導專項預先研究項目中，已支持了瞄準2030年空間天文研究的「全變源追蹤獵人星座」計劃，擬由大約100顆載有基於LIGA微縫光學的聚焦型X射線望遠鏡的8U立方星組成，專門針對多波段、多信使時代將會不斷發現的海量變源開展觀測；以及「磁場重聯自適應多尺度顯微計劃」，旨在通過12顆微納衛星編隊位形自適應的調整，同時測量宏觀尺度、離子運動尺度、電子運動尺度上物理過程的耦合，以認知磁場重聯到底如何發生。我們有理由期待國內空間科學界利用立方星這一「新」太空飛行器平臺開展科學研究，與傳統的大中型空間科學衛星形成互補，促進我國空間科學取得重大發現和突破，助力科技強國、航天強國建設目標的早日實現。
本文得到了空間科學(二期)先導專項「綜合論證」課題(課題號：Y7291A1AGS)的資助。
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來源：現代物理知識雜誌