潮科技|立方星——深空探测的新利器

“近地小行星侦察兵”（NEAScout）将利用NASA马歇尔航天飞行中心研发的80平方米的太阳帆，计划2019搭乘SLS发射升空，对目标小行星开展一次慢速（低于10米/秒）且逼近（低于1千米）的飞越，验证新的太空目标天体勘测方法。当航天器距离小行星（100米直径）足够近时，将拍摄分辨率10厘米/像元的4色照片。任务运行周期约两年半，成本2000万美元。

近地小行星侦察兵概念示意图

5.月球冰立方星

“月球冰立方星”（Lunar IceCube），采用创新型BIT-3射频离子推进系统，在高度100 千米的高倾斜绕月轨道上运行6个月，勘探月球上的固、液、气态水资源，研究水及其他挥发分随时间、高度、风化层年龄和物质成分的分布规律。

月球冰立方星概念示意图

（二） 辅助主航天器探测

1.木星磁层边界探测器

NASA计划2022年实施名为“木卫二快帆”的大型旗舰级木卫二多次飞越探测任务，成本约20亿美元。为丰富“木卫二快帆”任务科学探测成果，JPL 2014年向各个大学征集辅助主航天器探测的立方星的提议，并从中遴选出10项给予深入研究资金支持。这些提议中有的携带磁强计或无线电科学仪器，通过多次飞越木卫二，研究其海洋深度及内部重力环境；有的在高辐射场外环绕木星飞行，从远处持续探测木卫二冰层下方海洋喷射的羽状水冰；还有一些运行在高度极低的环绕轨道上，对木卫二表面进行成像。

美国西南研究所提出“木星磁层边界探测器”（JUMPER），将搭载在“木卫二快帆”上一同飞抵木星，协助主探测器开展探测任务，重点解答太阳风与木星磁场的相互耦合、对磁层动力学的影响，以及含能中性原子对木星磁层质量亏损的作用，丰富科学探测成果。

木星磁层边界探测器概念示意图

2.火星下降成像立方星

火星探测任务全部依靠轨道器和地面巡视器，二者都存在一定的探测局限性，无法详细探测火星崎岖、多山区域环境，一定程度上影响火星着陆任务成功率及巡视器的行进路径规划。轨道器观测范围大，但测得数据的解析度低；巡视器能详细测量火星地表，但机动性与通过性差，活动区域小。亚利桑那大学提出了3U构型的“火星下降成像立方星”方案，可在降落伞减速阶段与进入器分离，随后执行2～3千米的探测任务，预先获得巡视器着陆区域的高分辨率图像。

火星下降成像立方星概念示意图

3.火星立方星一号

JPL研制的2颗立方星名为“火星立方星一号”（MarCO），尺寸为36.6厘米×9.5厘米×11.8厘米，于2018年随“洞察”号一同发射，在后者着陆时飞越火星并担任中继服务，现已成功验证立方星在探测器进入、下降与着陆阶段的通信中继技术。因独有双频段同时接收与发送能力，能立刻将“洞察”的着陆信息转发给地球，确保地面站第一时间获知着陆状态。

火星立方星一号概念示意图

（三）分布式、星座式探测

1.刺猬小天体巡视器

NASA在“创新先进概念”项目中资助了“刺猬”机器人研究项目。“刺猬”是一个小型的立方结构探测器，可以从环绕目标天体飞行的“母星”上释放到目标天体表面，利用“母星”提供中继服务，在低重力天体表面开展翻转探测活动，对小天体的特定区域开展近距离观测、取样分析。

刺猬概念示意图

2.木星大气探针

木星的大气复杂，“伽利略”任务投放的大气探针只研究了一个区域，现已证实是非典型的。加拿大约克大学地球与空间科学研究中心（CRESS）团队提出由航天器携带的六个立方星大气探针概念。这些探针在进入阶段的峰值热过载将是传统大型探针的七分之一，可利用当前的进入技术进入木星大气并对多个区域进行研究。因每个探针太小，无法携带完整的仪器，研究团队将仪器功能分散到各个探针中。

木星大气探针概念示意图

3.蒲公英火星着陆器

NASA 2014年提出“蒲公英着陆器”（Dandelander）任务概念，其外形像倒置的伞，可在一次任务中同时布散多颗，进行简单的分布式气候测量。下降期间，着陆器利用减速器减速，保证着陆器安全软着陆的速度。触地后，仪器将展开太阳能电池，地震仪和配有相机和气象仪器的桅杆，在一个火星年里持续地收集数据，利用轨道器将数据中继回地球。

蒲公英着陆器概念示意图

四、几点认识

立方体卫星的主要特点是研制成本低，从概念研究到发射的周期较短（一般是两到三年），不仅吸引了国外航天机构的注意，也呈现出促使民间科学家、工程师甚至学生参与深空探测的新趋势。若立方星成功应用于深空探测任务，能够为新一代工程师和科学家提供新的低成本探测手段，即便失败，也使人们更加深刻地了解立方星的应用范围，促进基础技术提升。此外，还能吸引一批青少年亲身实践了立方星研制工作，增强深空探测领域的人才储备。

（一） 深空立方星迎来快速发展的时代

立方星自提出以来，性能水平不断提升，已具备承担特定探测任务的能力。美国、欧洲、日本、加拿大等国家（地区）航天局，正在开展低成本、高科学成果的创新型深空立方星方案概念研究，同时注重加强关键技术攻关，极大推动了深空立方星的发展速度，有望成为深空探测领域的一大亮点。

截止2016年底，仅有两次深空探测任务搭载了立方星载荷，而目前已有十余项得到资助的各类深空立方星任务列入发射计划，预计2020年前密集发射。

（二） 深空立方星带来诸多好处

深空立方星已成为一个新的航天公私合作热点。许多高等院校、非营利机构和企业已在先前的地球轨道立方星研究工作中积累了较丰富的经验，参与热情较高。目前，各国政府正广泛吸纳这些优势资源、优势力量，鼓励商业力量参与探测仪器和传感器创新研究工作，牵引和推动技术创新；与科学家联合探索创新任务方案设计，促进深空探测领域高速发展。

（编辑：91站长网）

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