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巴基斯坦值得骄傲:深空任务成功的立方星极少

巴基斯坦值得骄傲:深空任务成功的立方星极少

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人从未比在太空行走时显得更为或更为伟大渺小

或更为伟大

小而全,小而美

 

5月10日,中国国家航天局向巴基斯坦交接嫦娥六号任务巴基斯坦立方星数据。

中巴联合研制的该卫星5月3日随嫦娥六号探测器从文昌发射升空,5月8日与嫦娥六号轨道器在环月轨道分离,随后成功拍摄第一幅影像。巴基斯坦立方星项目实现了“成功分离、获得遥测”的既定目标,取得圆满成功。

名为ICUBE-Q的这颗立方星,是巴基斯坦第一个深空任务。国际纳卫星数据库(Nanosat Database)称该卫星为3U立方星,但从卫星外形上看并非标准的3U构型。根据巴基斯坦空间技术研究所信息,ICUBE-Q质量约7公斤,设计寿命3个月,带有2个相机,采用X波段通信。

巴基斯坦值得骄傲,因为到过月球、火星轨道并成功执行任务的立方星极少。

▲巴基斯坦ICUBE-Q立方星(图源:ist)

立方星,是一种以10厘米见方立方体为基本构型单元、通常使用商业部件来制造的小卫星,具有体积小、密度大、研制快、成本低、发射灵活的特点。根据航天界对微小卫星的分级标准——小卫星(1000~100kg)、微卫星(100~10kg)、纳卫星(10~1kg)、皮卫星(1~0.1kg),立方星通常属于纳卫星到微卫星范畴。

1999年,立方星国际标准诞生。2003年,首批立方星升空。截至2024年1月,全球共发射了2323颗立方星,占有史以来发射到太空的人造物体总数的近14%——若不是因为SpaceX这些年来持续大规模发射个头较大的星链卫星,这一比例会更高。今天,立方星早已从诞生之初的教育、演示任务拓展到了遥感、通信、技术试验、科学研究等实质性应用领域,并且从近地轨道飞到了深空。

第一批执行深空任务的立方星叫MarCO。2018年的美国洞察号火星探测任务(Insight)中,两枚6U立方星万里迢迢飞到火星轨道,在洞察号进入、下降和着陆(EDL)火星阶段提供了中继通信支持。

2022年6月,阿尔忒弥斯计划(Artemis)首次飞行开始之前,一颗12U的立方星CAPSTONE乘电子号小火箭(Electron)率先升空,奔赴绕月的“近直线晕轨道”(NRHO),为美国重返月球工程中月球空间站的未来运行开展技术验证。这是立方星第一次作为单一主星执行深空探测任务。设计寿命10个月的CAPSTONE完成任务目标后仍在该轨道上飞行,继续开展试验。

到了阿尔忒弥斯1号任务,与NASA猎户座飞船一起飞向月球的立方星多达10颗。它们来自美国多家机构及意大利航天局和日本航天局,肩负月球、空间天气、地月空间辐射环境等科学研究和深空通信、等离子体推进、先进光学技术等新技术验证任务,还有一颗计划飞掠小行星。尽管最终仅有少数几颗成功部署并工作,立方星发展由此全面进入深空飞行新阶段。

▲MarCO开展地火数据中继(图源:NASA)

既然使用标准化、商业化模块,立方星的技术门槛似乎不高?非也。做一颗立方星不难,难的是能可靠工作并产生价值的高性能立方星。高精度的姿态测量与控制系统、高速数传系统、高性能推进系统等等,都是立方星开发难点。深空任务中的能源供应、远距离通信、轨道调整等特殊需求,更是需要立方星拥有极高的可靠性、先进的技术和创新的设计。

今天,除了地球轨道与月球火星任务,多国航天机构或商业公司还在筹划使用立方星探测地外行星卫星、近地小行星等目标。既要体积小又要性能高,既要便宜又要能够完成复杂任务——尽管面临种种挑战,以立方星任务为代表的低成本太空探索时代已经到来。


  • 1999年,加州州立理工大学(Cal Poly)教授Jordi Puig Suari和斯坦福大学教授Bob Twiggs制定立方星标准,以推动小卫星的设计和制造。

  • 2003年6月30日,俄罗斯呼啸号火箭(ROCKOT)从俄罗斯普列谢茨克发射场升空,发射了来自美国、日本、加拿大、丹麦等国的6颗立方星。这是世界上第一批进入太空的立方星。

  • 2010年,NASA推出“立方星发射计划”(CubeSat Launch Initiative),为教育机构、非营利组织和NASA旗下各中心提供立方星发射机会。多所小学、中学、大学参加了该计划,到2016年有28个团队发射了46颗立方星。 

  • 2011年,欧盟发起QB50计划,几年里为来自23个国家/地区的40余所大学、研究机构和公司发射了30多颗立方星。我国的西北工业大学、哈尔滨工业大学、南京理工大学和国防科学技术大学等高校也在计划框架下成功发射了自己的立方星。

  • 2012年2月13日,欧空局织女星火箭(Vega)在其首次飞行中搭载了欧洲各国的7颗立方星。因其成本低、不怕失败,新火箭首飞携带立方星很常见。

  • 2012年10月4日,国际空间站释放5颗立方星。此后,立方星通过国际空间站机械臂吊舱释放入轨成为常态。

  • 2013年4月26日,厄瓜多尔的第一颗卫星NEE-01 Pegaso从中国酒泉卫星发射中心随长征二号丁运载火箭发射升空。这是第一枚能够从太空传输实时视频的立方星。

  • 2013年起,欧空局教育办公室面向高校学生发起“发射你的卫星”(Fly Your Satellite)立方星计划,至今已历四届。

  • 2016年6月25日,中国西北工业大学研制的“翱翔之星”搭载长征七号运载火箭在海南文昌发射升空。这是世界首颗12U立方星。

  • 2017年2月15日,印度PSLV火箭成功执行一箭104星发射任务。其中101颗都是立方星,96颗来自美国。

  • 2017年8月1日,天舟一号货运飞船成功在轨释放一颗立方星。这是我国首次通过飞船系统采用在轨储存方式释放立方星。

  • 2018年5月5日,以高增益天线为特色的两颗MarCO立方星随洞察号火星探测器发射升空,半年后抵达火星轨道,为洞察号着陆火星提供了中继通信。这是立方星第一次执行深空任务。

  • 2021年8月,美国Spire公司上市。该公司运营着110多颗立方星组成的星座,为海洋、航空和气象客户提供数据服务。

  • 2021年12月,美国行星公司(Planet)上市。该公司拥有全球最大的立方星星座,至今发射了400多颗立方星提供对地观测服务,2023年年度营收为2.2亿美元。

  • 2021年,中国宇航学会与国际宇航联合会共同发起首届世界大学生立方星挑战赛,至今已历三届。

  • 2022年6月28日,电子号火箭在新西兰成功发射NASA的CAPSTONE立方星,揭开美国重返月球大幕。

  • 2024年1月18日,我国大连1号—连理卫星从天舟六号货运飞船释放入轨。此后,这枚12U立方星完成了亚米级对地遥感成像、先进绿色无毒HAN推进系统等一系列创新技术的验证。

  • 2024年5月8日,巴基斯坦立方星与中国嫦娥六号轨道器在环月轨道分离,随后成功拍摄影像。

    ▲中国空间站在轨释放小卫星动画模拟

    (图源:CCTV)





参考文章:

1. 中国探月工程,中国向巴基斯坦交接嫦娥六号任务巴基斯坦立方星数据,

https://mp.weixin.qq.com/s/CM8xcYHvjklSBg_nHHpqGQ

2. ICUBE-Q: Pakistan’s Lunar CubeSat onboard Chinese Chang’E 6 Mission,

https://www.ist.edu.pk/icube-q

3. CubeSat,

https://en.wikipedia.org/wiki/CubeSat#References

4. Jeff Foust,Deep space smallsats face big challenges,

https://spacenews.com/deep-space-smallsats-face-big-challenges/



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