知识就是力量杂志 - “麻雀虽小,五脏俱全”!立方星有哪些优势? | 少年科学粉

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“麻雀虽小,五脏俱全”!立方星有哪些优势? | 少年科学粉 - 后花园网文 - 大杂烩

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  文图/任维佳(天仪研究院)

  本文节选自《知识就是力量》杂志

  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。

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  ▲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。

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  ▲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。

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