潮科技|立方星——深空探測的新利器

編者按：本文來自「星際智匯「公眾號，原創作者：李虹琳 李金釗，36氪經授權轉載。

北京時間11月27日凌晨，美國「洞察」號火星探測器成功著陸火星赤道以北的埃利西昂平原。「火星立方體一號」（MarCO，由MarCO-A和MarCO-B組成）立方星，作為二級載荷與「洞察」號火星探測器一同發射，成功為著陸器「進入、下降與著陸」提供實時通信中繼，驗證了立方星在深空探測任務中的可行性。除此之外，MarCO-A在飛越火星的過程中還間接進行了科學探測，測量火星大氣的情況；MarCO-B在「洞察」號著陸後不久傳回了拍攝的火星圖像。MarCO立方星的主任務將再持續大約兩周，兩顆立方星將返回飛行過程中收集到的其他數據，包括關於立方星自身健康狀況的遙測數據和在近距離接近過程中可能拍攝到的其他火星圖像。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。

一、立方星定義及其發展趨勢

1995年，史丹福大學航天系統研究實驗室（SSDL）提出立方星雛形構想。1999年，史丹福大學與加州理工大學聯合提出「立方星設計標準規範」（CDS），正式明確了立方星的定義和標準：立方星是採用邊長為10釐米的立方體構型（1個單元，即1U），質量不超過1.33千克的納衛星；立方星結構可按任務需求沿橫縱軸擴展單元數目，形成結構和功能更複雜的2U、3U、6U，甚至12U及以上。這類小尺寸的衛星具有門檻低、成本低、製造與發射周期短等特點，特別適合作為大學和科研機構的教育培訓與科研工具。

在深空探測領域，立方星逐漸呈現出從對地觀測向深空探測領域拓展的趨勢。日本宇宙開發機構（JAXA）2003年發射「隼鳥」小行星採樣返回探測器，曾攜帶一顆1U尺寸的Minerva立方星，對近地小行星進行成像觀測。探測器雖釋放失敗，但成功驗證了深空立方星與母星之間的圖像傳輸能力，標誌著立方星開始應用於深空探測活動。2014年，JAXA發射「隼鳥」-2號小行星採樣返回探測器，除Minerva外，還攜帶一個6U構型「移動小行星表面勘察著陸器」（MASCOT）。MASCOT攜帶4個有效載荷，能以跳躍方式在小行星表面移動，對小行星地貌、物質成分等進行為期15小時勘察。近年來，國外高度重視立方星在深空探測領域的應用潛力，據不完全統計，提出的創新性深空立方星方案數量已達到38項，探測目標覆蓋多個天體，探測方式也呈多樣化發展。已有多項型號任務列入發射計劃，特別是2019年SLS首飛搭載的13顆深空立方星，將開展小行星多尺寸成像、月球水資源探測、深空輻射研究等任務。

「隼鳥」-2號攜帶的MASCOT立方星結構

二、深空立方星特點分析

與執行綜合性深空探測任務的大型太空飛行器相比，深空立方星一方面具有體積小、質量輕的特點，能以多種方式發射，大幅提升任務實施靈活性，另一方面還具有百萬至千萬美元量級低研製成本的特點，遠低於傳統的深空探測器億美元量級，便於在短期內批量生產，特別適合攜帶特定載荷執行簡單、短周期、高風險的任務。一是以次級載荷的形式搭載其他任務發射，升空後立即與主探測器分離，自主飛至距地球較近的空間，作為低成本探測平臺，在深空環境中開展技術驗證，或者針對特定科學目標獨立開展低成本實驗研究或探測任務。二是作為主探測器的有效載荷一同發射並飛抵目標天體，勝任一次性探測任務或未知區域高風險探索任務，完成撞擊效果觀察、通信中繼或空間氣象測量等輔助或補充性質的工作，達到特定位置或多點探測效果，提升任務科學成果。三是將多顆深空立方星置於母星中，利用小型運載火箭發射，抵達目標天體後，多顆立方星一次性或分階段從母星中釋放出來，在母星提供中繼服務的環境下，在感興趣區域以一定距離間隔布散成網，發揮多點位探測優勢，並降低單顆探測器失效對任務目標實現的影響，提高任務方案實施彈性；構建環繞目標天體的立方星星座，同步探測全球範圍內不同區域電場或粒子，填補傳統單顆探測器能力的不足。

深空立方星前往未知區域執行高風險任務概念圖

與此同時，深空立方星也因尺寸較小（通常為6U構型），內部空間有限，執行深空探測任務時面臨許多特有的技術挑戰。一是與傳統地球軌道立方星相比，深空立方星只能攜帶少量的推進劑，通常在發射升空後需花費較長時間飛至目標天體，需具有高比衝、長壽命的推進系統；二是任務運行時距離地球較遠，需具有低功耗、長壽命、遠距離、高速率、高帶寬的通信能力；三是脫離地球磁層保護，需具有可靠、輕質的輻射防護系統，發展抗輻射電子元器件；四是在光照強度較低的環境下運行，需攜帶先進的能源與能量存儲系統；五是對載荷儀器尺寸和功耗存在限制，需探索新型傳感器。

三、國外典型深空立方星方案

當前，立方星呈蓬勃發展之勢，美歐等機構正在考慮為立方星提供更多的搭載發射機會，積極探索立方星在深空探測領域的應用，為科學家提供低成本探測的便利條件，同時重點解答以下三個問題：一是深空立方星能承擔哪類型科學探測任務？二是深空立方星還需要發展哪些關鍵技術？三是深空立方星的任務成本範圍如何？

（一）低成本探測平臺

1.相關環境星際納太空飛行器探路者

「相關環境星際納太空飛行器探路者」（INSPIRE）由兩顆完全相同的3U立方星組成，每顆攜帶一個磁強計和成像儀，計劃在3個月的任務時間裡，前往深空環境運行磁強計和相機等有效載荷，研究立方星是否具備最基礎的生存、通信和導航能力，了解立方星能否在深空環境中執行探測任務，同時詳細探測太陽風結構。目前，噴氣推進實驗室（JPL）已完成兩顆立方星的研製工作，正等待以次載荷形式發射的機會，具體發射日期不詳。INSPIRE任務的總成本約550萬美元。

INSPIRE概念示意圖

2.光帆

推進技術也是立方星的關鍵挑戰，立方星通常是以次載荷的形式搭乘其他大型太空飛行器一同發射，考慮到發射安全和尺寸限制，只允許立方星攜帶少量推進劑。太陽帆技術可利用微小的光壓驅動立方星飛行，是較為理想的安全推進手段。美國行星學會自主研製的「光帆」（LightSail）系列立方星，已於2015年驗證太陽帆技術的可行性，計劃2018年再發一顆開展更深入的研究。

光帆概念示意圖

3.月球極區氫測繪

「月球極區氫測繪」（LunaH-Map）由亞利桑那州立大學（ASU）負責設計、研製和運行，質量約13.6千克，計劃2019年搭乘SLS發射，經過1～2天的飛行後從火箭中彈出，2個月後逐漸進入月球軌道。任務運行周期預計2個月，環繞月球約140圈，主要任務是探測月球南極水冰並繪製水冰分布圖，了解月球上水冰的起源和位置，為未來載人月球任務奠定基礎。

月球極區氫測繪概念示意圖

4.近地小行星偵察兵

「近地小行星偵察兵」（NEAScout）將利用NASA馬歇爾航天飛行中心研發的80平方米的太陽帆，計劃2019搭乘SLS發射升空，對目標小行星開展一次慢速（低於10米/秒）且逼近（低於1千米）的飛越，驗證新的太空目標天體勘測方法。當太空飛行器距離小行星（100米直徑）足夠近時，將拍攝解析度10釐米/像元的4色照片。任務運行周期約兩年半，成本2000萬美元。

近地小行星偵察兵概念示意圖

5.月球冰立方星

「月球冰立方星」（Lunar IceCube），採用創新型BIT-3射頻離子推進系統，在高度100 千米的高傾斜繞月軌道上運行6個月，勘探月球上的固、液、氣態水資源，研究水及其他揮發分隨時間、高度、風化層年齡和物質成分的分布規律。

月球冰立方星概念示意圖

（二） 輔助主太空飛行器探測

1.木星磁層邊界探測器

NASA計劃2022年實施名為「木衛二快帆」的大型旗艦級木衛二多次飛越探測任務，成本約20億美元。為豐富「木衛二快帆」任務科學探測成果，JPL 2014年向各個大學徵集輔助主太空飛行器探測的立方星的提議，並從中遴選出10項給予深入研究資金支持。這些提議中有的攜帶磁強計或無線電科學儀器，通過多次飛越木衛二，研究其海洋深度及內部重力環境；有的在高輻射場外環繞木星飛行，從遠處持續探測木衛二冰層下方海洋噴射的羽狀水冰；還有一些運行在高度極低的環繞軌道上，對木衛二表面進行成像。

美國西南研究所提出「木星磁層邊界探測器」（JUMPER），將搭載在「木衛二快帆」上一同飛抵木星，協助主探測器開展探測任務，重點解答太陽風與木星磁場的相互耦合、對磁層動力學的影響，以及含能中性原子對木星磁層質量虧損的作用，豐富科學探測成果。

木星磁層邊界探測器概念示意圖

2.火星下降成像立方星

火星探測任務全部依靠軌道器和地面巡視器，二者都存在一定的探測局限性，無法詳細探測火星崎嶇、多山區域環境，一定程度上影響火星著陸任務成功率及巡視器的行進路徑規劃。軌道器觀測範圍大，但測得數據的解析度低；巡視器能詳細測量火星地表，但機動性與通過性差，活動區域小。亞利桑那大學提出了3U構型的「火星下降成像立方星」方案，可在降落傘減速階段與進入器分離，隨後執行2～3千米的探測任務，預先獲得巡視器著陸區域的高解析度圖像。

火星下降成像立方星概念示意圖

3.火星立方星一號

JPL研製的2顆立方星名為「火星立方星一號」（MarCO），尺寸為36.6釐米×9.5釐米×11.8釐米，於2018年隨「洞察」號一同發射，在後者著陸時飛越火星並擔任中繼服務，現已成功驗證立方星在探測器進入、下降與著陸階段的通信中繼技術。因獨有雙頻段同時接收與發送能力，能立刻將「洞察」的著陸信息轉發給地球，確保地面站第一時間獲知著陸狀態。

火星立方星一號概念示意圖

（三）分布式、星座式探測

1.刺蝟小天體巡視器

NASA在「創新先進概念」項目中資助了「刺蝟」機器人研究項目。「刺蝟」是一個小型的立方結構探測器，可以從環繞目標天體飛行的「母星」上釋放到目標天體表面，利用「母星」提供中繼服務，在低重力天體表面開展翻轉探測活動，對小天體的特定區域開展近距離觀測、取樣分析。

刺蝟概念示意圖

2.木星大氣探針

木星的大氣複雜，「伽利略」任務投放的大氣探針只研究了一個區域，現已證實是非典型的。加拿大約克大學地球與空間科學研究中心（CRESS）團隊提出由太空飛行器攜帶的六個立方星大氣探針概念。這些探針在進入階段的峰值熱過載將是傳統大型探針的七分之一，可利用當前的進入技術進入木星大氣並對多個區域進行研究。因每個探針太小，無法攜帶完整的儀器，研究團隊將儀器功能分散到各個探針中。

木星大氣探針概念示意圖

3.蒲公英火星著陸器

NASA 2014年提出「蒲公英著陸器」（Dandelander）任務概念，其外形像倒置的傘，可在一次任務中同時布散多顆，進行簡單的分布式氣候測量。下降期間，著陸器利用減速器減速，保證著陸器安全軟著陸的速度。觸地後，儀器將展開太陽能電池，地震儀和配有相機和氣象儀器的桅杆，在一個火星年裡持續地收集數據，利用軌道器將數據中繼回地球。

蒲公英著陸器概念示意圖

四、幾點認識

立方體衛星的主要特點是研製成本低，從概念研究到發射的周期較短（一般是兩到三年），不僅吸引了國外航天機構的注意，也呈現出促使民間科學家、工程師甚至學生參與深空探測的新趨勢。若立方星成功應用於深空探測任務，能夠為新一代工程師和科學家提供新的低成本探測手段，即便失敗，也使人們更加深刻地了解立方星的應用範圍，促進基礎技術提升。此外，還能吸引一批青少年親身實踐了立方星研製工作，增強深空探測領域的人才儲備。

（一） 深空立方星迎來快速發展的時代

立方星自提出以來，性能水平不斷提升，已具備承擔特定探測任務的能力。美國、歐洲、日本、加拿大等國家（地區）航天局，正在開展低成本、高科學成果的創新型深空立方星方案概念研究，同時注重加強關鍵技術攻關，極大推動了深空立方星的發展速度，有望成為深空探測領域的一大亮點。

截止2016年底，僅有兩次深空探測任務搭載了立方星載荷，而目前已有十餘項得到資助的各類深空立方星任務列入發射計劃，預計2020年前密集發射。

（二） 深空立方星帶來諸多好處

深空立方星已成為一個新的航天公私合作熱點。許多高等院校、非營利機構和企業已在先前的地球軌道立方星研究工作中積累了較豐富的經驗，參與熱情較高。目前，各國政府正廣泛吸納這些優勢資源、優勢力量，鼓勵商業力量參與探測儀器和傳感器創新研究工作，牽引和推動技術創新；與科學家聯合探索創新任務方案設計，促進深空探測領域高速發展。

工程師和科學家可憑藉深空立方星，以較低成本實現簡單的科學目標，促進空間科學快速發展；任務規劃設計人員可在面臨單個探測器不成功即失敗的困境時，採用立方星提高任務方案彈性。例如，在地月空間開展低成本特定科學探測活動，立方星攜帶中子光譜儀、紅外光譜儀等儀器，測繪月球、小行星等天體的水資源分布；攜帶生物樣品開展深空環境微重力、輻射研究。在高危任務中開展投放探測活動，利用母星釋放多顆立方星，對目標天體表面或大氣的物理和化學特性開展原位探測研究，既提高探測範圍和探測樣品數量，又能避免因某個探測器失效而致使任務失敗的風險，提高任務冗餘度。在目標天體周圍構建星座，開展高重訪或多點同步觀測活動，構建環繞目標天體的立方星星座，大尺度探測不同區域電場或粒子，如探測木衛二地下海洋磁場，探測火星全球氣象變化等。

（三）深空立方星研製成本低，但相關技術成熟度較低、研發成本高，運行成本也沒有優勢

立方星的主要特點是製造成本低，從概念研究到發射的周期較短，但深空立方星作為新事物，仍需較高經費持續投入才能達到實際應用程度。其中，高帶寬通信、精確姿態控制、先進推進和微小型化儀器等關鍵技術成熟度相對較低，仍需繼續投資攻關；相應的運載火箭也尚未成熟，低成本搭乘大型運載火箭發射會限制軌道選擇、發射窗口，而一些商業航天企業正在研製專門發射立方星等小型載荷的專用運載火箭，距離正式投入使用還存在一定差距。

需要注意的是，無論電子器件小型化的速度有多快，立方星功能始終有限，難以滿足大孔徑、高功率儀器或高精度指向需求，不能簡單將其視為低成本替代大型太空飛行器的手段，只能作為一種補充不足、提升效果的創新手段，仍需大型探測器完成綜合性探測任務。（中國航天系統科學與工程研究院 李金釗 李虹琳）