国际立方星平台的科研现状及对中国空间科学的启示

图1 ISIS公司典型的立方星结构

图2 立方星尺寸与资助机构占比

从应用领域上看，立方星已应用到技术验证、卫星通信、遥感成像、科学探索、高校教学、国防应 用、科普等各个领域。其中，用于技术验证的占比最多，达到71%，其次遥感应用占比13%，而用于科学方面的仅占8%，如图3（a）所示。近两年来，用于科学研究的立方星数量大幅增长，预期未来其发射数量仍将保持增长趋势，如图3（b）所示。

 图3 已发射立方星应用领域占比及科学应用立方星数量

从立方星发射的国家来看，截至2019年4月， 美国处于领先的地位，总共发射了741颗立方星，占全球的73%；中国发射立方星数量位居世界第二，共有34颗，占比3%，但在数量上跟美国相比存在相当大的差距，如图4（a）所示。但是，中国发射的立方星数量总体呈上升趋势，在发射总量中的占比呈逐年增加的趋势。尤其是2018年，全球包括美国在内，在发射数量减少的情况下，中国依然保持了增长趋势，如图4（b）所示。

图4 各国发射立方星数量及中美发射立方星数量对比

图5 2005—2018年世界立方星的发射数量

已取得重要科学发现和成果的立方星任务 

空间天气实验立方星（CSSWE）。“探索者一号”发现了地球辐射带的存在：外辐射带主要是高能电子，主要来自太阳风；内辐射带主要是高能质子。一种理论认为，银河系的高能宇宙线进入地球磁层，与高层大气中的原子碰撞产生 “反照中子”，之后衰变为质子和电子以及反电子中微子，这个过程被称为宇宙线反照中子衰变（CRAND）。反照中子的绝大部分动量会分配给新产生的质子，后者被地球磁场捕获后，就成了内辐射带中高能质子的来源。但是60余年过去了，没能真正探测到CRAND过程中形成的电子，这也成为困扰空间物理学家的未解之谜。

美国科罗拉多大学波德（Boulder）分校李炘璘研制了3U立方星CSSWE，致力于揭示地球辐射带电子变异特性的观测，成功得出了这一难题的答案，如图6（a）和图6（b）所示。CSSWE测量了地球辐射带上的高能质子和电子通量，首次在内辐射带直接探测到了CRAND过程形成的高能电子，并 证实这些电子的确来自中子衰变，其相关成果发表 在《Nature》上，如图6（c）所示。

火星洞察号立方星伴星（Marco-A/B）。2018年，以卡通明星“瓦力”（Wall-E）和“伊娃”（Eva）名字命名的6U“双胞胎”迷你卫星—— “火星立方星一号” A和B（Marco-A/B, Mars Cube One-A/B）与“洞察号”（InSight）同行，成为首批进入行星际空间的立方星，它们承载着小型化深空通信设备的测试任务，完成了多项通信和飞行导航实验，并在“洞察号”进入火星大气、下降和着陆时，把远距离遥测结果直接发回了地球。除此之外，Mar⁃CO-A在飞越火星的过程中还利用无线电信号，进行了反推火星大气成分的科学探测；MarCO-B在“洞察”号着陆后不久便传回了拍摄的火星图像（图7）。MarCO立方星任务的成功表明，立方星能够为大型深空探测任务提供支持，这为立方星的应用 开辟了新机遇。

QB50项目。QB50项目是欧盟主导的基于立方星的国际合作项目，比利时冯•卡门流体力学研究所（VKI）是项目大总体，德国大气物理研究所（IAP）是项目科 学总体。该项目是迄今最大规模的200～380km 高度的地球低热层大气低成本、长时间、多点原位探测，获得的低热层数据能够进一步完善地球大气模型，具有重要的科学价值。首先，它凸显了立方星空间科学任务“用很少的钱做很大的事”的特点，该项目仅以800万欧元的投资就牵引了世界90多个国家、地区和机构参与，其中多数为高校，产生了巨大了国际影响。其次，该项目致力于“人类几乎未做过的事”——探测人类尚未深入涉足的低热层大气，带动了国际立方星项目的发展。QB50项目计划由50颗立方星组成星座，实际发射38颗卫星，包括2颗技术试验卫星和36颗科学探测卫星（图8）。

图8 QB50两次发射任务介绍

正在研制的月球和小行星探测立方星任务

月球极区氢测绘（LunaH-Map）。LunaH-Map由亚利桑那州立大学负责设计、研制和运行，质量约13.6kg，将是太空发射系统（SLS）与猎户座飞船的首飞（EM-1）发射的立方星之一。EM-1将搭载13个6U大小的立方星，全部用于开展环月任务，部分任务还将达到月球以远区域。LunaH-Map到达月球轨道后将进行为期60天的科学探测，利用两个中子光谱仪探测月球南极水冰，绘制近月表的氢分布，有望生成迄今为止月球水冰最详细的分布图，揭示水冰的深度和分布的新细节，为未来载人月球任务奠定基础（图9）。

 图9 LunaH-Map结构及科学探测范围示意 

天火立方星任务（SkyFire）。SkyFire是洛克希德•马丁公司研制的6U立方星，将搭载EM-1任务发射。它将首次采用全新的红外相机技术，拍摄月球表面及其环境的图像；完成飞越月球和数据收集后，还将进行拓展的基于立方星的技术演示，包括机动和操作，支撑未来载人深空和火星探测任务中瓶颈问题的解决（图10）。

图10 洛克希德•马丁公司的SkyFire立方星收集月球表面数据示意

小行星起源卫星AOSAT。AOSAT是亚利桑那州立大学研制的一个体积为3U大小的科学实验室，将成为世界上第一台立方星的离心机。它将在立方星上进行一系列独特的科学和技术试验，以回答太阳系如何形成和理解小行星和彗星表面动力学的基本问题（图11）。

图11 AOSATI 设计（图片来源：NASA） 

图12 CUVE任务概念

图13 CubeX的任务载荷

图14 BOLAS的双星探月过程（图片来源：NASA）

图15 CAESAR任务概念（图片来源：维基百科）