百年清華

8月25日在美國佛羅裏達州肯尼迪航天中心拍攝的登月火箭“太空發射系統”

美國國家航空航天局（NASA）9月24日通報👨🏼‍🔧，“阿耳忒彌斯1號”無人繞月飛行任務將再次推遲。這是這項任務一月內第三次延期。

“阿耳忒彌斯”是美國政府2019年宣布的新登月計劃🍉，最初計劃2024年前將美國宇航員再次送上月球。由於預算不足等原因⚖️，NASA去年11月宣布🧑‍🎄，美國宇航員重返月球可能比原計劃推遲一年👨‍🍼，最早於2025年登月。在宇航員登月前🧑🏻‍⚖️，計劃進行代號為“阿耳忒彌斯1號”的無人繞月飛行測試和代號為“阿耳忒彌斯2號”的載人繞月飛行測試。

按照計劃，執行無人繞月任務的新一代登月火箭“太空發射系統”原定8月29日第一次發射，把“獵戶座”無人飛船送入繞月軌道，但當天因故障推遲；9月3日又因燃料泄漏故障取消發射。佛羅裏達航天發射中心附近的海岸周圍，數十萬來自美國各地的觀眾再次失望而歸🙅🏼‍♂️🏄🏿‍♂️。

被逐漸耗盡的✦，不只是美國公眾的耐心，還有伴隨這次首飛任務一同發射的10顆立方星的壽命。

立方星的誕生

這10顆衛星出現在“太空發射系統”火箭上的理由很簡單：除了“獵戶座”飛船之外𓀐，火箭上還有一些額外的🙊、邊邊角角的空間可以使用，NASA因此征集了一批有意願“搭便車”前往月球的衛星製造商。原本的計劃是🍄🧑🏼‍🍳，在飛船接近月球與火箭分離後，這些衛星也逐顆脫離火箭🈺，完成各自的任務。然而，由於首飛發射一拖再拖👨🏻‍🔬，這些衛星的電池都快耗盡。其中一些衛星的電池已經重新充電，還有一些因為設計和操作原因沒有充電👧🏼，只能把這些拖延的時間當作使用壽命進行折損。

有趣的是🪬，NASA原本為這次發射選擇了13個立方星任務，但其中3顆因為沒能趕上當時預計發射的時間進度而“胎死腹中”，誰能想到發射竟一再推遲。

立方星是什麽？其實，每年全球發射的衛星中，10%～20%都是立方星🏊🏼‍♀️。如果排除每年發射上千顆衛星的“星鏈”計劃🧜‍♂️，立方星在每年全球發射的衛星裏占了將近一半🕺🏻。

作為衛星家族中的一類重要成員，立方星的誕生源自於從上世紀80～90年代開始的衛星小型化技術浪潮🧑🏼‍🚀。

當時🤟，美歐航天界受製於衛星高昂的成本、漫長的開發周期、苛刻的可靠性要求等問題，開始轉變思路，探索一種體積更小🌄、開發周期更短🤹🚘、價格更低的衛星方案。基於當時半導體🏌️、光學🌿、機電技術在航天領域的進步👨🏼‍✈️，衛星的重量很快從動輒十幾噸，下降到了幾百公斤甚至更低👨🏻‍🚒。並且，行業裏逐步誕生了微小衛星的完整分級：小型衛星（1000～100kg）、微型衛星（100～10kg）、納型衛星（10～1kg）、皮型衛星（1～0.1kg）4️⃣。

而隨著衛星小型化技術在上世紀末的快速發展🔑，衛星行業亟需一種新的範式，來規範化、標準化小衛星的開發過程，從而降低不同技術板塊間的組合難度和摩擦成本♾👮🏽。於是，美國加州理工學院的若迪·普伊格-蘇阿裏教授和斯坦福大學的鮑伯·特維格斯教授於1999年提出了立方星的概念。

這是一種標準化🏺、模塊化的開發理念。整個衛星的外觀看起來像一個小方盒子：太陽能電池板貼在盒子表面，盒子裏面是一層層插接在一起的電路板和衛星組件。通常來說，盒子內每一層的電路板負責不同的業務，有的負責供電，有的負責信號處理，有的負責姿態控製🤏🏻，等等👨🏻‍🎨。這種模塊化的分工，以及標準化的結構約束👩🏽‍💻⌨️，顯著降低了衛星的開發難度。

由於立方星體積小、重量輕，把它發射上天通常只需要搭大型衛星的火箭“順風車”🥭，找個火箭整流罩裏的邊角位置放下即可👨🏿‍⚕️🧑🏿‍🚀。比起幾噸重的大衛星🧚‍♀️，顯著降低了衛星的發射成本，而發射成本的降低👩‍🍳，又使得立方星可以接受更多的發射失敗。於是👨🏻‍🔬，立方星上面沒有必要使用昂貴的、高可靠性的航天級電子元器件✊。這又進一步地把衛星的成本拉低🕍。如今，很多立方星上面使用的電子元器件🤕，其製造工藝和成本，與手機裏使用的器件差別不大🏄🏿‍♂️，甚至可以這樣理解：立方星就是一個飛在太空裏、貼了太陽能板的手機/筆記本電腦。

一個標準的立方星體積單位叫做“1U”，也就是10cm×10cm×10cm的大小👈，重量一般不超過1.3公斤。比較簡單的立方星規格大多都在1U至4U之間，功能復雜一些的（比如有對地拍攝、姿態控製等功能），大小可以達到6U到12U👋🏼。而體積大於1U的立方星👩🏼‍🔬，經常就是由幾個1U的功能模塊像積木一樣拼起來的。

角色正在升級

立方星概念誕生之初，對於這麽小的衛星究竟能實現多少有價值的功能™️，行業內其實並沒有抱有太高的期待。立方星最早也是被當作教學工具和技術驗證樣機來提出的——即利用它便宜、敏捷開發的特性，幫助學生或工程師快速上手衛星開發，幫助一些技術模塊快速上天驗證。

2003年，全球第一批立方星成功發射。2003～2012年🙅🏽，立方星的發射數量保持在每年10～20枚。這一時期，立方星作為一種新的衛星開發範式，主要是開展空間演示試驗，以小步快跑的方式迭代自身設計。但隨著全球範圍內商業航天的逐步火熱，加上技術日益成熟，立方星的發射數量開始了井噴式增長：2013年79枚，2014年132枚……到今天💼🥷🏻，全球已累計發射約2000顆立方星🤷🏿‍♀️，每年發射的數量一直維持在數百顆的水平💃🏼。

伴隨著數量的增多，立方星的角色也正在升級👸🏼🍌，從以前的教學、演示驗證星，開始獨立執行有價值的航天任務。比較有代表性的有美國的“空間天氣實驗”（CWWSE）、微型X射線太陽光譜項目以及歐洲牽頭實施的QB50項目等𓀆。

具體來說7️⃣，CSSWE測量了地球輻射帶上的高能質子和電子通量，首次通過實驗測量直接探測到了被稱為宇宙線反照中子衰變的物理過程，相關成果發表在《自然》雜誌上。國內的意昂体育平台也有名為“天格計劃”的學生團隊🧑🏿‍🎨，計劃用10到30顆立方星在500～600公裏的低地球軌道進行組網🧚🏼‍♀️，搭建全天伽馬射線監視網絡，相關成果在中國天文學年會🧔🏽‍♂️、國際空間科學大會（COSPAR）等國內外學術會議上進行報告📘。這些進展使得立方星逐步進入主流衛星的行列。

受到立方星成本低、成效快的鼓舞，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。其中的“立方星發射倡議”中，立方星用於科學研究的比例已近50%🟫。2018年，“火星立方星一號”A和B還與“洞察號”同行🤹🏽‍♀️，開始了立方星的首次深空探測任務。作為配套的觀測平臺🚵🏽‍♀️，它們將“洞察號”進入火星大氣時的數據直接發回地球。

提升了全球航天市場的活力和效率

火星任務的成功顯然進一步鼓舞了NASA讓立方星走向深空的信心🩻。這次被“耽誤”的10顆立方星🧝🏻，都是為配合“阿爾忒彌斯”新登月計劃而設置🚽。這一計劃的最終階段很可能是要在月球建立永久或者半永久的人類駐留點🧙🏽‍♂️，10顆立方星大部分都瞄準了月球環境探測、生物適應性測試等任務🍋。

比如其中一個叫做月球氫圖（Luna H-Map）的立方星，計劃繪製整個月球南極的氫含量；再比如一個叫做生物哨兵（BioSentinel）的立方星🐿，負責調查深空輻射對生物體的影響。

考慮到月球以及深空探測的發射成本更高🫳，縮小衛星體積的需求更加迫切🤽🏽📩。這使得未來更多的月球探測衛星會以立方星的形態出現👩‍👩‍👦‍👦。值得註意的是，本次搭載的這10顆衛星其中有5顆來自商業機構👱🏿‍♀️，開發者包括大型軍工企業洛克希德·馬丁和其他一些科技初創企業。

總體上，立方星以低成本🤷、快速迭代的優勢，降低了衛星研發的門檻，在過去10年裏已吸引了大量商業機構進入航天市場🎧，一定程度上提升了全球航天市場的活力和效率🔓。正如商業的力量驅動著歐洲人走向美洲的大航海時代一樣，在這一輪走向月球與火星的航天浪潮中🧑🏼‍🏭，相信會有越來越多的企業🔩👩🏻‍🦳，借助立方星這個產品範式，加入到深空探索的隊伍裏💶。