CubeSat的概念

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通常来说,建造并发射卫星都是耗资巨大的活动,只有政府或者资金雄厚的研究机构才有可能染指,普通人无缘参与其中。不过由加州州立理工大学以及斯坦福大学在上世纪90年代末提出的微型卫星CubeSat概念的提出在很大程度上改变了这一状况。CubeSat有多小?一般来说,它的标准体积单位恰好是1升,为边长10厘米的立方体(1U),其质量不超过1.33千克。由于结构简单体积小巧,其设计和建造难度也大大降低。CubeSat一般还提倡使用商业元件而非昂贵的定制部件,这进一步节约了开支。同时CubeSat统一了与运载火箭连接的方式,且规定此类卫星的体积只能沿一个方向扩展而必须保持底面大小不变,使得通用性大大增强。CubeSat的概念CubeSat的外观示例,挪威的Ncube-2。(图片提供:Bjørn Pedersen, NTNU, Trondheim, Norway)由此,当前最低只需不到10万美元,最高也只要几百万美元就可以完成一颗CubeSat的建造和发射,普通人从事航天活动成为可能。迄今各国已经有超过100所大学甚至中学开展过相关的课题。虽然使用微型卫星出突破性的工作并不容易,不过这样的卫星可以大大帮助学生的学习和理解,此外业余无线电爱好者也是CubeSat的热心参与者。为了保证规范与安全,加州州立理工大学定义了CubeSat相关的整套标准。首先是星箭连接标准组件P-POD,这一系统已经为超过90%的CubeSat所采用,近年发射的此类卫星更是无一例外地全部选择了它。P-POD由阳极电镀铝制成,每套最多可以携带3颗体积为1U的卫星。运载火箭发出星箭分离信号之后,P-POD的载荷舱门开启,卫星沿内部的弹簧滑轨移出并进入地球轨道。P-POD与火箭之间使用P-DEP电子系统来进行通信,P-DEP装备有电池组、触发器以及延时装置,负责在接收到星箭分离信号后经过预设的时间间隔启动分离程序。为了降低成本和建造难度,P-DEP也大量采用商业元件,如标准电池组一般就选用松下公司出品的8芯AAA-L氢镍电池2组。CubeSat的概念P-POD的外观(左)与内部结构(右)。(图片提供:CubeSat.org)由于发射方式的限制,对CubeSat本身的要求很严格。根据官方提供的标准,与P-POD一样,卫星的基本建造材料也是铝材。此类卫星除了体积和质量的限制以外,还禁止使用烟火设备、不能在发射过程中产生太空垃圾、星内气压不得高于1.2倍大气压、不得使用有毒有害物质,且星箭连接前需要拔下的突出物尺寸也不能大于6.5毫米。由于这样的微型卫星往往是成群同时升空的,出于不干扰彼此的考虑,星上也不能搭载易挥发物质。而为了保证工作稳定,卫星重心与几何中心的偏离也不能超过2厘米。出于安全考虑,CubeSat的星载设备在发射时必须关机,电池组也不得连机,因此卫星上必须至少设置一处开关。按照相关规定,卫星上的电池组也要设置接收机,可以接收遥控关机信号。如果卫星设有入轨后展开的部件,展开时间必须相距星箭分离并启动入轨程序之后30分钟,强于1毫瓦的信号发射也要等到入轨启动30分钟之后才能进行。而为了不产生过多的太空垃圾,CubeSat在任务结束后的轨道滞留时间需要短于25年。与大型卫星一样,CubeSat连带P-POD在发射前也需要进行振动测试、热真空测试以及资格测试,具体测试方式以所选的运载火箭提供商的要求或NASA的通用标准为准。在基本测试完成之后,CubeSat还要进行飞行测试,之后就不得再作拆改了,随后卫星与P-POD连接完毕并进行最终的测试。由于飞行测试与发射非普通人所能为,加州州立理工大学可以帮助参与者寻找合适的机构完成这样的工作。CubeSat的发射方式多种多样,可以搭大型卫星的便车一同上路,可以成群集中发射,国际空间站还计划使用机械臂释放卫星,迄今成功入轨的CubeSat已经超过了70颗。除了给学生和爱好者提供参与机会,CubeSat在航天研究方面也在发挥着自己的作用。采集地磁场微弱波动以搜索地震线索的Quakesat、用于探讨人工重力的Tempo3以及研究空间环境下基因变异的GeneSat 1都是其中的例子。而CubeSat也凭借较低的门槛创造过航天史的第一,比如哥伦比亚的第一颗卫星就是Sergio Arboleda大学的学生开发的微型卫星Libertad 1,美国弗吉尼亚州托马斯·杰斐逊科技高中研制的TJ3Sat更是罕见的以中学生为主打力量的卫星。低门槛还让CubeSat的大面积部署成为了可能。如冯卡门研究所、欧空局与NASA合作提出的QB50计划希望能发射由50颗卫星组成的监测网,来实时监控地球大气的热层底部,预计于2014年一次性发射完毕。而NASA也向公众推出了CubeSat计划,一来促进公众参与,二来从事低成本测试,将微型卫星充当新技术的探路者。CubeSat计划官方网站:http://www.cubesat.org/内容来自 Bo Zhang's Homepage

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