“瓦力”“伊娃”雙雙行—MarCO立方體衛(wèi)星

任維佳

2018年5月5日，洞察號(hào)火星著陸器前往火星。當(dāng)時(shí)它刷屏了朋友圈，幾乎全世界都在歡呼人類(lèi)在探索太空的路程上又邁出了一大步。但作為航天從業(yè)者，讓我們驚訝的是陪伴它的是兩顆立方體衛(wèi)星—美國(guó)國(guó)家航空航天局的兩個(gè)小的實(shí)驗(yàn)性立方星MarCO——“瓦力”和“伊娃”。它們的成功，意味著立方星邁出了向深空探測(cè)的重要一步。

立方星是什么

立方星最初是由加州理工大學(xué)和斯坦福大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)于1998年發(fā)起的。當(dāng)時(shí)兩所大學(xué)的教授們提出“能否在一個(gè)10厘米見(jiàn)方的立方體里面實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的全部功能？”，由此發(fā)動(dòng)了多個(gè)團(tuán)隊(duì)研制這樣的衛(wèi)星，并命名為CubeSat（立方星）。同時(shí)為了便于不同團(tuán)隊(duì)之間的協(xié)同，他們還制定了一套標(biāo)準(zhǔn)，大家都依照同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)做。沒(méi)過(guò)幾年，這一目標(biāo)果然實(shí)現(xiàn)了。2003年，第一顆立方星發(fā)射升空。

所謂“麻雀雖小，五臟俱全”。立方星盡管體積小，但大衛(wèi)星需要的系統(tǒng)包括星務(wù)管理、通信、電源、姿態(tài)確定與控制、結(jié)構(gòu)熱控、載荷等，它身上全都有。不同的衛(wèi)星任務(wù)決定了星上載荷的不同，從而對(duì)其他分系統(tǒng)的要求也不同，因此，立方星會(huì)根據(jù)具體的情況進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在的立方體衛(wèi)星經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展，也逐漸由最初的1U（即10cm*10cm*10cm）逐步拓展到2U、3U、6U、12U等。這次陪同洞察號(hào)前往火星的“瓦力”“伊娃”，就是6U那么大，相當(dāng)于一個(gè)鞋盒大小。

?陪伴洞察號(hào)火星著陸器的MarCo立方體衛(wèi)星

具有優(yōu)勢(shì)的立方星

與傳統(tǒng)衛(wèi)星相比，立方星至少在三個(gè)方面有明顯不同：一是工業(yè)級(jí)器件的廣泛應(yīng)用，二是標(biāo)準(zhǔn)化、批量化的部件生產(chǎn)，三是大幅度簡(jiǎn)化的系統(tǒng)和流程。

首先，傳統(tǒng)航天任務(wù)中，高等級(jí)器件占用了至少1/3的成本。在工業(yè)領(lǐng)域幾十、幾百元一個(gè)的芯片，其宇航級(jí)產(chǎn)品往往造價(jià)高達(dá)十幾萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)，所以同樣功能的一件設(shè)備，航天產(chǎn)品往往比地面民用或軍用產(chǎn)品成本高出一兩個(gè)數(shù)量級(jí)。立方星在最初是基于教學(xué)和科研目標(biāo)提出的，因此衛(wèi)星的成敗并不是一件很重要的事情，所以在一開(kāi)始就主要依靠地面工業(yè)級(jí)器件，同時(shí)只追求相對(duì)短的在軌壽命。但在實(shí)踐過(guò)程中，立方星自身技術(shù)的發(fā)展使得其在軌實(shí)際壽命不斷提高，在保持低成本的同時(shí)逐步彌補(bǔ)了其壽命短板。

其次，傳統(tǒng)航天任務(wù)往往軍民結(jié)合，這使得各國(guó)的航天系統(tǒng)往往相對(duì)封閉。由于單個(gè)國(guó)家航天任務(wù)總量有限，因此各國(guó)的航天部組件都長(zhǎng)期處于單件生產(chǎn)狀態(tài)，研制成本高居不下，同時(shí)產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性也受人為因素影響較大。而立方星由于其本源上的教學(xué)和科研性質(zhì)，相對(duì)容易地突破了國(guó)家界限，在此情況下，一批標(biāo)準(zhǔn)化部件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全球銷(xiāo)售，總銷(xiāo)售量的上升推動(dòng)生產(chǎn)商實(shí)現(xiàn)了小批量生產(chǎn)。借助于現(xiàn)代工業(yè)的批量化生產(chǎn)手段，產(chǎn)品的一致性得以顯著提升，同時(shí)成本也進(jìn)一步下降。

第三，傳統(tǒng)航天產(chǎn)品一般在各層級(jí)都有冗余備份，從電路板上的電路備份，到設(shè)備中的板卡和模塊備份，再到系統(tǒng)中的設(shè)備備份，層層備份實(shí)現(xiàn)了航天器的高可靠性，同時(shí)也極大地推高了航天器總成本—不僅在體系上面有備份，在研制流程上，傳統(tǒng)航天也規(guī)劃了模樣件、初樣件、正樣件三套產(chǎn)品。應(yīng)該說(shuō)，三階段的研制流程在確保最終產(chǎn)品的極高可靠性方面是非常必要的，但毫無(wú)疑問(wèn)這也使得產(chǎn)品成本進(jìn)一步翻番。立方星技術(shù)從一開(kāi)始就反其道而行之，以“最簡(jiǎn)單的就是最可靠的”為核心理念，不僅從系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面放棄一切備份，做最簡(jiǎn)系統(tǒng)，還從研制流程層面只做一套產(chǎn)品。通過(guò)這兩方面的簡(jiǎn)化，在犧牲部分可靠性的情況下，使得衛(wèi)星成本大幅度降低。

?立方星在最初是基于教學(xué)和科研目標(biāo)提出的

微小衛(wèi)星時(shí)代的來(lái)臨

立方體衛(wèi)星以前都是在近地軌道空間探索，為什么這次可以陪同洞察號(hào)前往火星呢？

原來(lái)，“瓦力”“伊娃”是搭載在洞察號(hào)上面，到了火星附近才被釋放出來(lái)的，所以它們才沒(méi)有像以前的立方星一樣在近地軌道空間探索。另外，它們還裝備了最新型的高增益平板天線(xiàn)，使數(shù)據(jù)能在數(shù)億千米外實(shí)現(xiàn)8千比特每秒的傳輸速率。

這其實(shí)更加說(shuō)明了微小衛(wèi)星時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，只是大家可能還暫時(shí)不知道。但是我跟大家說(shuō)一個(gè)數(shù)據(jù)，就會(huì)知道最近的微小衛(wèi)星的趨勢(shì)有多么的夸張：從1957年人類(lèi)的第一顆衛(wèi)星上天，到2018年年底，人類(lèi)發(fā)射衛(wèi)星的總量是4000顆，但2017年發(fā)射的微小衛(wèi)星的數(shù)量是400顆，一年的微小衛(wèi)星數(shù)量已經(jīng)能夠抵過(guò)去60年全部總量的1/10了。

再舉一個(gè)例子，原來(lái)的大衛(wèi)星，無(wú)論是國(guó)家機(jī)構(gòu)，還是國(guó)外的那些商業(yè)公司，從他們開(kāi)始發(fā)射第一顆衛(wèi)星，到他們發(fā)射第十顆衛(wèi)星，其間可能需要20年的時(shí)間。但是微小衛(wèi)星呢，比如中國(guó)民營(yíng)企業(yè)天儀研究院可以在3年之內(nèi)成功發(fā)射12顆小衛(wèi)星，2019年的年計(jì)劃發(fā)射20顆立方星，這種發(fā)展速度是原來(lái)完全不敢想象的速度。

?MarCO拍攝的對(duì)火星的“回眸”圖

（責(zé)任編輯/岳萌 ? 美術(shù)編輯/胡美巖）