越小越閃亮——立方體衛(wèi)星

+ 劉進(jìn)軍 編譯

越小越閃亮——立方體衛(wèi)星

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這是一個自由幻想的結(jié)晶。

這是一個點(diǎn)石成金的妙法。

一顆極小而超越夢想的衛(wèi)星，為智慧插上一雙翅膀。課桌上誕生的小精靈們飛向各自軌道，展示科技、智慧和魅力，越小越閃亮！

美國加州州立理工大學(xué)航天學(xué)教授霍爾迪·蘇安里

斯坦福大學(xué)航空航天學(xué)教授鮑伯·特維格

美國加利福尼亞州圣路易斯-奧比斯波市風(fēng)光優(yōu)美，葡萄酒令人陶醉，更讓人陶醉的是這里有一座著名大學(xué)——加利福尼亞州州立理工大學(xué)。加州州立理工大學(xué)的座右銘是：從實(shí)踐中學(xué)習(xí)?！皬膶?shí)踐中學(xué)習(xí)”的教育理念，鼓勵學(xué)生通過課堂理論與實(shí)驗(yàn)室練習(xí)、社會實(shí)踐相結(jié)合，解決現(xiàn)實(shí)世界的問題。

在加州州立理工大學(xué)，有一位滿臉絡(luò)腮胡子的航空航天工程學(xué)教授霍爾迪·蘇安里。他在學(xué)校是道貌岸然的教授，出了校門就是撿破爛的破爛王。他夫人說：“他把什么破爛都撿回家，整個家就是個老鼠窩，一天到晚臭烘烘的?！碧K安里愛動腦，也愛動手，曾用垃圾堆里撿來的破爛造了一架飛行機(jī)器人和一顆小衛(wèi)星，讓飛行機(jī)器人馱著小衛(wèi)星進(jìn)行飛行試驗(yàn)。學(xué)生們評價他是：用手指頭爬上太空的航天專家。

當(dāng)你進(jìn)入加利福尼亞州圣克拉拉縣，到處洋溢著學(xué)術(shù)的氣氛。如果一位掃垃圾的清潔工用掃把在地面上計(jì)算線性代數(shù)，或一位保安討論氣動聲學(xué)噪聲的產(chǎn)生，請別大驚小怪。因?yàn)檫@兒有一所世界最杰出的大學(xué)之一——斯坦福大學(xué)。

斯坦福大學(xué)的教師和校友創(chuàng)辦了許多公司，包括谷歌、惠普、耐克、雅虎、太陽計(jì)算機(jī)系統(tǒng)公司。校友們創(chuàng)辦的公司年收入超過27000億美元，創(chuàng)造的財富相當(dāng)于世界第10大經(jīng)濟(jì)體。斯坦福大學(xué)共誕生59位諾貝爾獎獲得者，30名億萬富翁，17名宇航員。在斯坦福大學(xué)，更重要的是，任何話題都是受歡迎的！斯坦福大學(xué)的格言：讓自由之風(fēng)勁吹！

“我不可能獲得諾貝爾獎，但可以培養(yǎng)獲得諾貝爾獎的人?！彼固垢４髮W(xué)航空航天學(xué)教授鮑伯·特維格說話慢騰騰，但思維比計(jì)算機(jī)還快。他常教導(dǎo)說：“請不要將科學(xué)砸在手背上，而要捏在手心里，用智慧解開未知的奧秘?！碧鼐S格一天到晚望著太空：怎樣普及航天知識和衛(wèi)星科學(xué)？

航天，需要激情。霍爾迪·蘇安里教授和鮑伯·特維格教授相識于地球，夢想于太空。1999年初開始,兩位教授認(rèn)為：科學(xué)已經(jīng)發(fā)展到今天，已經(jīng)發(fā)射了微衛(wèi)星、納米衛(wèi)星和皮衛(wèi)星，大學(xué)生已經(jīng)擁有研制衛(wèi)星的可能性。蘇安里教授認(rèn)為：“大學(xué)生衛(wèi)星既不能太大，也不能太難，更不能太貴。”這是一種什么樣的衛(wèi)星呢？這種衛(wèi)星可能嗎？

蘇安里教授提出一個餿主意：“只要能飛上天，衛(wèi)星可以長得像一朵鮮花。”特維格教授建議：“根據(jù)工程設(shè)計(jì)原理，必須為大學(xué)生衛(wèi)星制定一個標(biāo)準(zhǔn)。大學(xué)生衛(wèi)星都按照一個標(biāo)準(zhǔn)研制，體現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一、公平的原則?！?/p>

什么模樣的衛(wèi)星，多大小的衛(wèi)星，什么重量的衛(wèi)星才是標(biāo)準(zhǔn)呢？一天，特維格教授來到一家商店，在大門口被一只寵物犬絆了一腳，跌跌闖闖地繞道走進(jìn)超市。突然，他看見前方的展柜上正在展示豆豆娃，下面是一個立方體的塑料盒。他靈光乍現(xiàn)：立方體，正方形，具有穩(wěn)定性和整體性。它恰好體現(xiàn)了大學(xué)生的衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)：結(jié)構(gòu)簡單，任意組合，變化萬千。

沒有規(guī)矩，不成方圓。特維格教授認(rèn)為：大于10厘米的立方體作為一種衛(wèi)星概念。1999年夏天，特維格向蘇安里教授提出了這一想法。蘇安里教授提議：那就將大學(xué)生衛(wèi)星命名為立方體衛(wèi)星。立方體衛(wèi)星為大學(xué)生研制衛(wèi)星指明了方向，意義重大。

2U立方體衛(wèi)星

3U立方體衛(wèi)星

1U立方體衛(wèi)星

1999年11月，在美日科學(xué)、技術(shù)和空間應(yīng)用程序大會上，兩位教授首先提出了立方體衛(wèi)星的概念，并制定了一個立方體衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)。加州州立理工大學(xué)和斯坦福大學(xué)成為推廣立方體衛(wèi)星計(jì)劃的先鋒，掀起了全世界大學(xué)生研發(fā)立方體衛(wèi)星，研究太空科學(xué)和發(fā)揚(yáng)探索精神的潮流。

什么是立方體衛(wèi)星呢？它的英文名字是CubeSat。Cube，是立方體的意思，Sat是Satellite的簡寫。這時，立方體衛(wèi)星已經(jīng)形成為一個衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)，又是一個衛(wèi)星計(jì)劃。立方體衛(wèi)星也是一個教育計(jì)劃。目的很明確：學(xué)生通過設(shè)計(jì)、研制立方體衛(wèi)星，學(xué)習(xí)、理解、掌握世界先進(jìn)的衛(wèi)星技術(shù)和太空知識，提高想象力、創(chuàng)造力、動手能力和團(tuán)隊(duì)精神。

特維格教授介紹道：立方體衛(wèi)星是指長寬高各10厘米，重量不超過1.33千克立方體形的衛(wèi)星。立方體衛(wèi)星通常采用現(xiàn)成的電子元件和零部件，研制費(fèi)用控制在6.5～8萬美元。衛(wèi)星小，但功能齊全，比大衛(wèi)星便宜多了。立方體衛(wèi)星將幫助大學(xué)生完成太空科學(xué)和探索。

按規(guī)定，立方體衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)將10×10×10厘米的衛(wèi)星作為一個Unit（單位），簡稱1U。立方體衛(wèi)星共分為4個標(biāo)準(zhǔn)：1U立方體衛(wèi)星為標(biāo)準(zhǔn)型，尺寸為10×10×10厘米；2U立方體衛(wèi)星尺寸為20×10×10厘米；3U立方體衛(wèi)星尺寸為30×10×10厘米，0.5U立方體衛(wèi)星為0.5×0.5×0.5厘米。

立方體衛(wèi)星相當(dāng)于一個大魔方，可以2個或3個連接在一起，組成一顆衛(wèi)星。近年來，更大的立方體衛(wèi)星已經(jīng)提出，如24×24×36厘米的立方體衛(wèi)星，功能也擴(kuò)展和超出了學(xué)術(shù)和技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星，成為更復(fù)雜的科學(xué)和國防科學(xué)為目標(biāo)的衛(wèi)星。

立方體衛(wèi)星必須價廉物美，對體積和重量的要求苛刻，必定要采用微電子技術(shù)和微機(jī)械技術(shù)。因?yàn)轶w積和重量的限制，絕大多數(shù)立方體衛(wèi)星都將太陽能帆板集成到衛(wèi)星表面。根據(jù)主要任務(wù)，衛(wèi)星裝載了一種或二種科學(xué)儀器，執(zhí)行一定或特定的任務(wù)。

立方體衛(wèi)星運(yùn)行軌道一般在250～1000千米的低軌道上。因?yàn)榱⒎襟w衛(wèi)星幾乎不帶燃料，設(shè)計(jì)壽命短的只有幾天，長的幾個月，最多的2～3年。大部分立方體衛(wèi)星沒有推進(jìn)系統(tǒng)，靠火箭給它的初始速度飛行。現(xiàn)在，有的立方體衛(wèi)星使用微型的離子調(diào)姿火箭，給衛(wèi)星裝上力量的翅膀。立方體衛(wèi)星的技術(shù)和功能越來越接近大衛(wèi)星。

在太空這個自由的空間玩高科技玩具，充分啟發(fā)大學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力。大部分立方體衛(wèi)星是科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星。衛(wèi)星的種類也仿真大衛(wèi)星，有地球觀測衛(wèi)星、通信衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星、照相偵察衛(wèi)星和技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星等。

衛(wèi)星的零部件

衛(wèi)星組裝

在課桌上能造衛(wèi)星嗎？全世界上百所理工大學(xué)制訂了立方體衛(wèi)星計(jì)劃。各大學(xué)一般招收理工科1～2年級學(xué)生，4～6人自主組成研發(fā)小組。第一年以教授太空知識、衛(wèi)星系統(tǒng)工程學(xué)基礎(chǔ)理論為主，及衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)概念；第二年重點(diǎn)是立方體衛(wèi)星系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，各分系統(tǒng)的細(xì)部設(shè)計(jì)；第三年制造衛(wèi)星；第四年測試衛(wèi)星，提高衛(wèi)星理論和技術(shù)。

衛(wèi)星結(jié)構(gòu)與飛行原理

阿拉伯學(xué)生的立方體衛(wèi)星

美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室“實(shí)驗(yàn)小衛(wèi)星-11”號試驗(yàn)離子發(fā)動機(jī)

美國宇航局“螢火蟲”立方體衛(wèi)星觀測閃電和γ射線反射

衛(wèi)星飛行理想圖

學(xué)生們必須了解和掌握天文學(xué)、太空環(huán)境學(xué)、太空動力學(xué)、軌道力學(xué)、光學(xué)、衛(wèi)星通信學(xué)、衛(wèi)星應(yīng)用學(xué)、衛(wèi)星設(shè)計(jì)理論、衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)功能和系統(tǒng)原理等學(xué)科。學(xué)生們經(jīng)過系統(tǒng)學(xué)習(xí)，再根據(jù)各自的專業(yè)，分別設(shè)計(jì)各分系統(tǒng)。一顆做夢也想象不到的衛(wèi)星，從各自的大腦里集合到一張藍(lán)圖上。

立方體衛(wèi)星雖小，但五臟俱全。衛(wèi)星上的很多部件，如圖像傳感器、微波發(fā)射機(jī)、分析儀、激光光纖陀螺、電動機(jī)等都盡可能做得最小。它們集成在半導(dǎo)體基片上，構(gòu)成立方體衛(wèi)星的基本組成部分。

衛(wèi)星功能元件和小型儀器，都集成到一個很小的半導(dǎo)體芯片上。一個由電池供電的微型芯片就可以完成一臺儀器的作用，而不必再使用如太陽能電池陣，大大減輕部件的重量。當(dāng)將各個分系統(tǒng)、小部件組裝成衛(wèi)星，經(jīng)過分系統(tǒng)測試、綜合測試、地面測試和太空環(huán)境測試，測試優(yōu)秀后就可進(jìn)入發(fā)射程序。一顆高科技的衛(wèi)星在自己的手里誕生。

大學(xué)生們十分欣賞自己的作品，把它作為藝術(shù)品送給太空。2003年6月30日，世界上第一顆、丹麥奧爾堡大學(xué)的立方體衛(wèi)星，在俄羅斯搭乘“呼嘯”號運(yùn)載火箭發(fā)射升空。到2013年底，全世界50多個國家大學(xué)生、公司和機(jī)構(gòu)已發(fā)射113顆立方體衛(wèi)星，其中一顆高中生立方體衛(wèi)星。

最近幾年，立方體衛(wèi)星越早越大，越造越精，越造功能越多，研制費(fèi)用提高到10萬～12.5萬美元。立方體衛(wèi)星計(jì)劃及知識在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)普及。隨著時間推移，立方體衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為一個行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。世界各地的許多大學(xué)、企業(yè)和政府組織愿意研發(fā)立方體衛(wèi)星。立方體衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)被廣泛采用，成為世界標(biāo)準(zhǔn)。

越小越閃亮——立方體衛(wèi)星

美國馮·卡門研究所提出一個一箭發(fā)射50顆立方體衛(wèi)星，組建太空衛(wèi)星監(jiān)測網(wǎng)的計(jì)劃，由歐盟資助。歐洲19個國家大學(xué)提供35顆，美國大學(xué)10顆，加拿大大學(xué)2顆和日本大學(xué)3顆。2015年，50顆立方體衛(wèi)星已經(jīng)列入發(fā)射計(jì)劃。立方體衛(wèi)星技術(shù)全面蓬勃發(fā)展，提出許多新技術(shù)、新功能和新設(shè)想，如空間插件、活動結(jié)構(gòu)、即插即用、功能變換、分形組合、虛擬衛(wèi)星等概念。衛(wèi)星真的可以長得像一朵鮮花。

立方體衛(wèi)星屬于納米衛(wèi)星，但有極高的軍事價值。美國空軍宣稱：世界上先進(jìn)的太空探測系統(tǒng)可以探測幾百千米太空中10厘米的飛行體，但很難找到立方體衛(wèi)星，更別說攻擊和摧毀。立方體衛(wèi)星體積小，重量輕，可以在未來太空戰(zhàn)中快速、大量部署。如果發(fā)射戰(zhàn)斗立方體衛(wèi)星，不是附在敵星上竊聽秘密，就是給敵星鉆個孔撒氣，甚至將敵星打爆頭。

目前，美國國防部、美國空軍學(xué)院、美國空軍技術(shù)學(xué)院、美國空軍研究生學(xué)院、美國空軍先進(jìn)計(jì)劃局、美國西點(diǎn)軍校、美國海軍學(xué)院、美國陸軍太空與導(dǎo)彈防御司令部，以及美國宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室都研制發(fā)射了立方體衛(wèi)星，試驗(yàn)各種可能性。

立方體衛(wèi)星，激勵著全世界的大學(xué)生們。科技，永遠(yuǎn)是第一生產(chǎn)力。航天，能看見更遠(yuǎn)的未來。