立方體衛(wèi)星研制中的顛覆性創(chuàng)新

林來興 （北京控制工程研究所）

立方體衛(wèi)星研制中的顛覆性創(chuàng)新

Disruptive Innovation in the Development of CubeS at

林來興 （北京控制工程研究所）

在我國“十三五”規(guī)劃中明確了，“大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”是我國國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的新引擎。創(chuàng)新有兩種：顛覆性創(chuàng)新和漸進(jìn)性創(chuàng)新，顛覆性創(chuàng)新是最高層次。當(dāng)今對顛覆性創(chuàng)新的出現(xiàn)與發(fā)展可能還有些人不甚了解，特別是在航天領(lǐng)域。為此，本文將以最不引人注意的立方體衛(wèi)星(CubeSat)為例，來論證它是一個名副其實的顛覆性創(chuàng)新。

1 顛覆性創(chuàng)新概念

顛覆性創(chuàng)新是美國哈佛商學(xué)院克萊頓·克里斯坦森（Clayton Christenson）教授創(chuàng)造的一個術(shù)語，描述了一種產(chǎn)品或服務(wù)最初在低端市場的簡單應(yīng)用程序中的扎根過程，然后無情向上推進(jìn)市場，最后取代已有的競爭對手。換句話說就是把一個貴重物品做得很便宜，把原來一個很難獲得的東西變得容易獲得，把原來一個很難用的東西變成非常容易使用。這完全符合一切工程技術(shù)和科學(xué)與藝術(shù)，其發(fā)展的最終目標(biāo)是追求簡單性和完善性的規(guī)律。例如：個人計算機顛覆主機計算機行業(yè)，智能手機繼續(xù)不斷顛覆計算機、數(shù)碼相機等。

顛覆性技術(shù)由低端一直向上發(fā)展，最終滿足甚至還超過最為苛刻的用戶的要求。顛覆性創(chuàng)新應(yīng)包括技術(shù)和管理兩部分。特別要注意的是，要有滿足顛覆性創(chuàng)新技術(shù)的組織管理，若沒有組織管理，顛覆性創(chuàng)新技術(shù)也會夭折，因為顛覆性技術(shù)創(chuàng)新是一個過程，短的也要幾年時間。概括起來顛覆性創(chuàng)新有以下幾個特征：

1) 非競爭性。是指顛覆性創(chuàng)新并不是與現(xiàn)有主流市場競爭者爭奪用戶，而是通過滿足新的現(xiàn)有主流產(chǎn)品的“非消費者”來求得生存與發(fā)展。

2) 初始階段的低端性。這種低端性才使得它被現(xiàn)有主流市場的競爭者所忽略，避開與現(xiàn)有高端市場的激烈競爭，從而成長壯大。

3) 簡便性。這令使用者變得更為廣泛，從而使產(chǎn)品的價格更加低廉，讓更多人能夠用得起，為此創(chuàng)造良好的市場條件，不至于過早夭折。

4) 應(yīng)用價值導(dǎo)向性。投資成本低，應(yīng)用效果日益增長。這表明顛覆性創(chuàng)新的價值所在，缺少這一點，顛覆性創(chuàng)新就失去了存在的價值。

2 立方體衛(wèi)星的概念與技術(shù)發(fā)展

在小衛(wèi)星中最小的兩個種類分別為：納衛(wèi)星，質(zhì)量為1～10kg；皮衛(wèi)星，質(zhì)量為0.1～1kg。有些人認(rèn)為這樣小的衛(wèi)星用處不大，沒有研究價值。納衛(wèi)星也只做些空間簡單試驗，皮衛(wèi)星幾乎僅作物理概念存在，20世紀(jì)發(fā)射數(shù)量極少。但美國斯坦福大學(xué)湯姆·肯尼（Tom Kenny）教授根據(jù)該校多年對納衛(wèi)星研究積累的經(jīng)驗，在1999年對納衛(wèi)星提出了新的概念，即質(zhì)量為1kg，結(jié)構(gòu)尺寸為10cm×10cm×10cm的正方體。

立方體衛(wèi)星從概念產(chǎn)生至今已有十幾年了，技術(shù)得到極大發(fā)展。正像顛覆性創(chuàng)新發(fā)展過程一樣，這個過程大致可以分成為低端、中端和高端用戶提供產(chǎn)品這3個階段。

概念深化與研究階段—為低端用戶提供產(chǎn)品

立方體衛(wèi)星概念出現(xiàn)以后，首先得到全世界大學(xué)和部分研究機構(gòu)的擁戴，并積極參與開發(fā)和研究。從立方體衛(wèi)星概念產(chǎn)生至2003年，據(jù)初步估計，全球最少有60～70個大學(xué)和研究機構(gòu)，包括美國波恩公司空間研究中心、美國國家航空航天局（NASA）艾姆斯研究中心（Ames）等，都加入到立方體衛(wèi)星研究開發(fā)行列當(dāng)中。特別是在美國大學(xué)，立方體衛(wèi)星已成為影響最大的小衛(wèi)星研究項目。國際上對立方體衛(wèi)星的研究逐漸形成一個熱潮。并開始進(jìn)入低端市場，以成本低、研制周期短、具有一定空間應(yīng)用價值的產(chǎn)品為用戶服務(wù)。

2003年6月30日，世界首批立方體衛(wèi)星成功發(fā)射，這批立方體衛(wèi)星共有6顆，它們包括：日本2顆，丹麥2顆，加拿大1顆，這5顆衛(wèi)星的質(zhì)量皆為1kg；美國1顆地震研究衛(wèi)星，質(zhì)量為4kg。

2003－2009年，各國相繼發(fā)射70多顆立方體衛(wèi)星，它們的共同特點是費用低，僅需要幾萬到十幾萬美元，相比而言，當(dāng)時一顆常規(guī)衛(wèi)星至少需要2～3億美元，兩者相差3～4個數(shù)量級，而且研制周期縮短5～6倍。雖然技術(shù)水平和應(yīng)用價值較低，但也有一定的空間應(yīng)用價值。這正是顛覆性創(chuàng)新初期的特點。

空間演示和應(yīng)用階段—為中端用戶提供產(chǎn)品

2010－2013年已經(jīng)進(jìn)入為中端用戶提供產(chǎn)品階段。也就是立方體衛(wèi)星技術(shù)水平和應(yīng)用價值有很大提高，個別產(chǎn)品開始接近現(xiàn)有中小型衛(wèi)星水平。經(jīng)費少，研制周期短仍然是這個階段的特點。在這4年間全世界發(fā)射立方體衛(wèi)星大約170顆。下面列出其中2顆典型實例：“生命體/有機物暴露在軌實驗”衛(wèi)星和“美國觀測空間碎片望遠(yuǎn)鏡”衛(wèi)星。

立方體衛(wèi)星爆炸式增長—為高端用戶提供產(chǎn)品

2014－2017年，立方體納衛(wèi)星已經(jīng)開始進(jìn)入為高端用戶提供衛(wèi)星產(chǎn)品階段，也可以說，它代表了立方體衛(wèi)星當(dāng)前的發(fā)展技術(shù)水平和應(yīng)用價值。這個階段，立方體納衛(wèi)星發(fā)射量劇增，每年平均發(fā)射量約為190顆，超過全世界總發(fā)射量的一半。其技術(shù)水平已經(jīng)和當(dāng)前衛(wèi)星技術(shù)相當(dāng)，有些應(yīng)用領(lǐng)域達(dá)到現(xiàn)有單顆衛(wèi)星難以達(dá)到的程度，比如時間分辨率。另外，仍然保持著經(jīng)費投資少，研制周期短的優(yōu)勢。

上面3個發(fā)展階段充分說明，立方體衛(wèi)星完全符合顛覆性創(chuàng)新應(yīng)具有的性質(zhì)和特征。從2003年第一批立方體衛(wèi)星發(fā)射成功到2015年，其間發(fā)射立方體衛(wèi)星共有425顆，這些衛(wèi)星分布在各個應(yīng)用領(lǐng)域，對地觀測和空間技術(shù)試驗兩項占2/3左右。這里所指技術(shù)試驗不僅包括新技術(shù)空間試驗，更多是大型星座應(yīng)用試驗，其衛(wèi)星技術(shù)已經(jīng)比較成熟。在這發(fā)射的425顆衛(wèi)星中，美國占76%，其他國家僅占24%。

3 立方體衛(wèi)星發(fā)展前景—研制最苛刻用戶要求的產(chǎn)品

從顛覆性創(chuàng)新概念和發(fā)展過程得知，今后立方體衛(wèi)星已處在顛覆性創(chuàng)新的最高位置，這也是立方體衛(wèi)星今后的發(fā)展方向，研制最苛刻用戶要求的產(chǎn)品。為了便于討論，從下列幾個方面來說明。

立方體衛(wèi)星組合形式

立方體衛(wèi)星已經(jīng)不是以前簡單的2～3U組合，已經(jīng)有下列組合形式：

1）眾多基本單元（U）組合。目前已有27U的組合形式，今后可能發(fā)展30～40U的大型組合，衛(wèi)星質(zhì)量估計在50kg以下；

2）幾個基本單元（3～6U）作為基本組合主體，外面設(shè)有可展開式機構(gòu)。太陽電池翼和多種形式天線，這些可展開設(shè)備仍然作衛(wèi)星平臺組成部分；目前已做成大型可折疊柔性太陽電池翼，面積在幾十平方米以上，可發(fā)電幾百瓦以上。

今后5年立方體衛(wèi)星發(fā)射量預(yù)測

立方體衛(wèi)星從2012年起每年發(fā)射量都在增加，2013年和2014年的發(fā)射量劇增，今后立方體衛(wèi)星年度發(fā)射量仍保持增長趨勢。

根據(jù)美國Space Works咨詢公司在2016年初的市場預(yù)測，統(tǒng)計出1～50kg微小衛(wèi)星每年發(fā)射量。市場預(yù)測的發(fā)射量會有些波動，衛(wèi)星具體發(fā)射量常有變化，因為預(yù)測中很多項目都是大型星座，少則幾十顆衛(wèi)星，多則上百顆。但是，衛(wèi)星發(fā)射量日益增加的態(tài)勢是肯定的。預(yù)測1～50kg微小衛(wèi)星發(fā)射量在未來幾年可能占全球航天器發(fā)射量的2/3左右。這種微小衛(wèi)星功能密度很高，成本低，研制周期短，將有可能取代相當(dāng)一部分傳統(tǒng)中小衛(wèi)星，但是它不可能也不會取代大型衛(wèi)星。

大型納衛(wèi)星編隊飛行

大型納衛(wèi)星編隊飛行可以認(rèn)為是最苛刻要求的空間產(chǎn)品，這里列出兩項正在設(shè)計研究階段的星群。

（1) “硅片集成飛衛(wèi)星” (SWIFT) 星群計劃

SWIFT衛(wèi)星（100g）組成大型星群任務(wù)由美國國防高級研究計劃局（DARPA）資助，NASA噴氣推進(jìn)實驗室(JPL)等單位負(fù)責(zé)研制。采用眾多飛衛(wèi)星（FemtoSat，質(zhì)量為10～100g）組成星群，在地球低軌道飛行。該任務(wù)的研究目的是由星群組成稀疏孔徑陣列和空間分布式敏感器網(wǎng)絡(luò)。星群在軌道要形成三維編隊飛行。另外星上裝有通信系統(tǒng)、三軸姿態(tài)和位置敏感器、電源分系統(tǒng)、微型反作用輪和一套微小型肼推進(jìn)系統(tǒng)。數(shù)字微推力系統(tǒng)總功率1.6W，總質(zhì)量95.5g。小型熱氣肼系統(tǒng)總功率1.7W，總質(zhì)量104.7g。

微小衛(wèi)星（1～50kg）今后5年發(fā)射量 顆

在軌道飛行實驗中，要求保持編隊飛行隊形持續(xù)時間能達(dá)到100～1000s。是否能夠成功尚需空間演示驗證。

（2) “自主納衛(wèi)星技術(shù)星群”（ANTS）任務(wù)體系結(jié)構(gòu)

在太陽系中，火星軌道與木星軌道之間存在一條小行星帶，約有50多萬顆小行星。體積大小差異很大，最大的直徑有上千千米。過去很長歷史時期，由于缺乏有效的觀測手段，探測小行星帶的收獲很小。為此，NASA計劃在2025－2030年在小行星帶建立一個“自主納衛(wèi)星技術(shù)星群”探測體系，從而可以長期探測小行星帶。這個星群設(shè)想由1000顆納衛(wèi)星組成，每顆衛(wèi)星質(zhì)量為幾千克。它們分批由火箭發(fā)射在太陽與木星間的拉格朗日點上，然后擇機進(jìn)入小行星帶，組成星群。

這些立方體衛(wèi)星在飛行軌道上組成各種功能模塊。所謂星群是類似于被動編隊飛行，它依靠一種仿自然界昆蟲的組織方式，例如螞蟻覓食、蜜蜂筑巢行為的人工智能方法，使星群內(nèi)所有納衛(wèi)星可以自主保持松散隊形，也就是說不會發(fā)生某些衛(wèi)星走失情況，而且不消耗燃料。這項飛行任務(wù)目前還處在研究和方案設(shè)計階段。

空間飛行試驗任務(wù)技術(shù)指標(biāo)如下：任務(wù)壽命5～10年，軌道距地球1～3.5天文單位，納衛(wèi)星質(zhì)量約為1kg，星上功率100～300mW，姿態(tài)三軸穩(wěn)定。

應(yīng)用3D打印技術(shù)研制立方體衛(wèi)星

俄羅斯聯(lián)邦航天局和NASA都在積極研究應(yīng)用3D打印技術(shù)研制立方體衛(wèi)星。該方法目前有兩種類型：第一種類型是用3D打印機制造立方體衛(wèi)星結(jié)構(gòu)，然后把立方體衛(wèi)星有關(guān)部件組裝進(jìn)去，這些都在地面上進(jìn)行，最后送到空間站或者載人飛船，由航天員送入太空。對于這種類型，2016年3月31日，俄羅斯的4顆由6U立方體衛(wèi)星已經(jīng)由進(jìn)步MS－2（Progress MS－2）貨運飛船成功送到“國際空間站”。

第二種類型是美國NASA目前正在研究的，方法是把3D打印機、材料和有關(guān)部件（模塊化）一起送入空間站，目前計劃由航天員或者空間機器人在空間站組裝，最后由空間站專門通道把立方體衛(wèi)星送入太空（2015年已經(jīng)有多顆“鴿群”立方體衛(wèi)星通過這種釋放方式部署）。將來有可能在空間站建立立方體衛(wèi)星組裝流水線。

4 結(jié)束語

立方體衛(wèi)星是一個典型的顛覆性創(chuàng)新。當(dāng)前立方體衛(wèi)星正在步入顛覆性創(chuàng)新的最高位置，研制最苛刻用戶要求的空間產(chǎn)品。今后，立方體衛(wèi)星的發(fā)展將引發(fā)空間技術(shù)的一場革新。