北京时间11月27日凌晨，美国“洞察”号火星探测器成功着陆火星赤道以北的埃利西昂平原。“火星立方体一号”（MarCO，由MarCO-A和MarCO-B组成）立方星，作为二级载荷与“洞察”号火星探测器一同发射，成功为着陆器“进入、下降与着陆”提供实时通信中继，验证了立方星在深空探测任务中的可行性。除此之外，MarCO-A在飞越火星的过程中还间接进行了科学探测，测量火星大气的情况；MarCO-B在“洞察”号着陆后不久传回了拍摄的火星图像。MarCO立方星的主任务将再持续大约两周，两颗立方星将返回飞行过程中收集到的其他数据，包括关于立方星自身健康状况的遥测数据和在近距离接近过程中可能拍摄到的其他火星图像。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。
一、立方星定义及其发展趋势
1995年，斯坦福大学航天系统研究实验室（SSDL）提出立方星雏形构想。1999年，斯坦福大学与加州理工大学联合提出“立方星设计标准规范”（CDS），正式明确了立方星的定义和标准：立方星是采用边长为10厘米的立方体构型（1个单元，即1U），质量不超过1.33千克的纳卫星；立方星结构可按任务需求沿横纵轴扩展单元数目，形成结构和功能更复杂的2U、3U、6U，甚至12U及以上。这类小尺寸的卫星具有门槛低、成本低、制造与发射周期短等特点，特别适合作为大学和科研机构的教育培训与科研工具。
在深空探测领域，立方星逐渐呈现出从对地观测向深空探测领域拓展的趋势。日本宇宙开发机构（JAXA）2003年发射“隼鸟”小行星采样返回探测器，曾携带一颗1U尺寸的Minerva立方星，对近地小行星进行成像观测。探测器虽释放失败，但成功验证了深空立方星与母星之间的图像传输能力，标志着立方星开始应用于深空探测活动。2014年，JAXA发射“隼鸟”-2号小行星采样返回探测器，除Minerva外，还携带一个6U构型“移动小行星表面勘察着陆器”（MASCOT）。MASCOT携带4个有效载荷，能以跳跃方式在小行星表面移动，对小行星地貌、物质成分等进行为期15小时勘察。近年来，国外高度重视立方星在深空探测领域的应用潜力，据不完全统计，提出的创新性深空立方星方案数量已达到38项，探测目标覆盖多个天体，探测方式也呈多样化发展。已有多项型号任务列入发射计划，特别是2019年SLS首飞搭载的13颗深空立方星，将开展小行星多尺寸成像、月球水资源探测、深空辐射研究等任务。
“隼鸟”-2号携带的MASCOT立方星结构
二、深空立方星特点分析
与执行综合性深空探测任务的大型航天器相比，深空立方星一方面具有体积小、质量轻的特点，能以多种方式发射，大幅提升任务实施灵活性，另一方面还具有百万至千万美元量级低研制成本的特点，远低于传统的深空探测器亿美元量级，便于在短期内批量生产，特别适合携带特定载荷执行简单、短周期、高风险的任务。一是以次级载荷的形式搭载其他任务发射，升空后立即与主探测器分离，自主飞至距地球较近的空间，作为低成本探测平台，在深空环境中开展技术验证，或者针对特定科学目标独立开展低成本实验研究或探测任务。二是作为主探测器的有效载荷一同发射并飞抵目标天体，胜任一次性探测任务或未知区域高风险探索任务，完成撞击效果观察、通信中继或空间气象测量等辅助或补充性质的工作，达到特定位置或多点探测效果，提升任务科学成果。三是将多颗深空立方星置于母星中，利用小型运载火箭发射，，抵达目标天体后，多颗立方星一次性或分阶段从母星中释放出来，在母星提供中继服务的环境下，在感兴趣区域以一定距离间隔布散成网，发挥多点位探测优势，并降低单颗探测器失效对任务目标实现的影响，提高任务方案实施弹性；构建环绕目标天体的立方星星座，同步探测全球范围内不同区域电场或粒子，填补传统单颗探测器能力的不足。
深空立方星前往未知区域执行高风险任务概念图
与此同时，深空立方星也因尺寸较小（通常为6U构型），内部空间有限，执行深空探测任务时面临许多特有的技术挑战。一是与传统地球轨道立方星相比，深空立方星只能携带少量的推进剂，通常在发射升空后需花费较长时间飞至目标天体，需具有高比冲、长寿命的推进系统；二是任务运行时距离地球较远，需具有低功耗、长寿命、远距离、高速率、高带宽的通信能力；三是脱离地球磁层保护，需具有可靠、轻质的辐射防护系统，发展抗辐射电子元器件；四是在光照强度较低的环境下运行，需携带先进的能源与能量存储系统；五是对载荷仪器尺寸和功耗存在限制，需探索新型传感器。
三、国外典型深空立方星方案
当前，立方星呈蓬勃发展之势，美欧等机构正在考虑为立方星提供更多的搭载发射机会，积极探索立方星在深空探测领域的应用，为科学家提供低成本探测的便利条件，同时重点解答以下三个问题：一是深空立方星能承担哪类型科学探测任务？二是深空立方星还需要发展哪些关键技术？三是深空立方星的任务成本范围如何？
（一）低成本探测平台
1.相关环境星际纳航天器探路者
“相关环境星际纳航天器探路者”（INSPIRE）由两颗完全相同的3U立方星组成，每颗携带一个磁强计和成像仪，计划在3个月的任务时间里，前往深空环境运行磁强计和相机等有效载荷，研究立方星是否具备最基础的生存、通信和导航能力，了解立方星能否在深空环境中执行探测任务，同时详细探测太阳风结构。目前，喷气推进实验室（JPL）已完成两颗立方星的研制工作，正等待以次载荷形式发射的机会，具体发射日期不详。INSPIRE任务的总成本约550万美元。
INSPIRE概念示意图
2.光帆
推进技术也是立方星的关键挑战，立方星通常是以次载荷的形式搭乘其他大型航天器一同发射，考虑到发射安全和尺寸限制，只允许立方星携带少量推进剂。太阳帆技术可利用微小的光压驱动立方星飞行，是较为理想的安全推进手段。美国行星学会自主研制的“光帆”（LightSail）系列立方星，已于2015年验证太阳帆技术的可行性，计划2018年再发一颗开展更深入的研究。
光帆概念示意图
3.月球极区氢测绘
（编辑：91站长网）
【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容!
