随着微电子、微机械、纳米等技术的发展和卫星设计思想的创新，卫星变得越来越小。其中，立方星“脱颖而出”。别看它“小”，实际上“五脏俱全”，与传统卫星相比也有独特优势。今天，我们就一起来聊聊“立方星”。
立方星是什么？
立方星最初是由加州理工大学和斯坦福大学的一个团队于1998年发起的。当时两所大学的教授们提出“能否在一个10厘米见方的立方体里面实现卫星的全部功能？”，由此发动了多个团队研制这样的卫星，并命名为“CubeSat（立方星）”。同时为了便于不同团队之间的协同，他们还制定了一套标准，大家都依照同一个标准来做。没过几年，这一目标果然实现了。2003年，第一颗立方星发射升空。
所谓“麻雀虽小，五脏俱全”。立方星尽管体积小，但大卫星需要的系统包括星务管理、通信、电源、姿态确定与控制、结构热控、载荷等，它身上全都有。不同的卫星任务决定了星上载荷的不同，从而对其他分系统的要求也不同，因此，立方星会根据具体的情况进行不同的设计。现在的立方体卫星经过不断发展，也逐渐由最初的1U（即10cm*10cm*10cm）逐步拓展到2U、3U、6U、12U等。
▲2018年陪伴洞察号火星着陆器的MarCo立方体卫星
立方星有哪些优势？
与传统卫星相比，立方星至少在三个方面有明显不同：一是工业级器件的广泛应用，二是标准化、批量化的部件生产，三是大幅度简化系统和流程。
首先，传统航天任务中，高等级器件占用了至少1/3的成本。在工业领域几十、几百元一个的芯片，其宇航级产品往往造价高达十几万甚至几十万，所以同样功能的一件设备，航天产品往往比地面民用或军用产品成本高出一两个数量级。立方星在最初是基于教学和科研目标提出的，因此卫星的成败并不是一件很重要的事情，所以在一开始就主要依靠地面工业级器件，同时只追求相对短的在轨寿命。但在实践过程中，立方星自身技术的发展使得其在轨实际寿命不断提高，在保持低成本的同时逐步弥补了其寿命短板。
▲立方星最初是基于教学和科研目标提出的
其次，传统航天任务往往军民结合，这使得各国的航天系统往往相对封闭。由于单个国家航天任务总量有限，因此各国的航天部组件都长期处于单件生产状态，研制成本高居不下，同时产品的质量稳定性也受人为因素影响较大。而立方星由于其本源上的教学和科研性质，相对容易地突破了国家界限，在此情况下，一批标准化部件已经实现了全球销售，总销售量的上升推动生产商实现了小批量生产。借助于现代工业的批量化生产手段，产品的一致性得以显著提升，同时成本也进一步下降。
第三，传统航天产品一般在各层级都有冗余备份，从电路板上的电路备份，到设备中的板卡和模块备份，再到系统中的设备备份，层层备份实现了航天器的高可靠性，同时也极大地推高了航天器总成本—不仅在体系上面有备份，在研制流程上，传统航天也规划了模样件、初样件、正样件三套产品。应该说，三阶段的研制流程在确保最终产品的极高可靠性方面是非常必要的，但毫无疑问这也使得产品成本进一步翻番。立方星技术从一开始就反其道而行之，以“最简单的就是最可靠的”为核心理念，不仅从系统设计层面放弃一切备份，做最简系统，还从研制流程层面只做一套产品。通过这两方面的简化，在牺牲部分可靠性的情况下，使得卫星成本大幅度降低。
原来的大卫星，无论是国家机构，还是国外的那些商业公司，从他们开始发射第一颗卫星，到他们发射第十颗卫星，其间可能需要20年的时间。但是微小卫星呢，比如中国民营企业天仪研究院可以在3年之内成功发射12颗小卫星，2019年的年计划发射20颗立方星，这种发展速度是原来完全不敢想象的速度。
文图/任维佳（天仪研究院）
本文节选自《知识就是力量》杂志
