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微型卫星证明了它们的科学价值
“立方体卫星”的扩散为收集太空数据提供了一种新鲜而快速的方法。
Nicola Jones
2014.4.16
今年2月，国际空间站发射了两颗30厘米长的地球观测立方体卫星。
一个环绕地球运行的小盒子正在向地球发送大数据。它主要由本科生建立，造价不到150万美元,是一颗10厘米times;10厘米times;30厘米卫星,称为萤火虫，现在正在通过gamma;射线（一种由闪电和火引起射向太空的高能爆发射线）发回信息。
萤火虫号于去年11月发射升空，是第一颗专门研究闪电现象的卫星，科学家们正急切地等待着结果。位于弗吉尼亚州阿灵顿的美国国家科学基金会(NSF)地球空间科学部的项目主任Therese Moretto Jorgensen说:“我认为这将是非常惊人的。”
萤火虫卫星是一种不断发展的小型卫星，被称为立方体卫星。由于廉价的零部件和免费的发射，立方体卫星的发射正在蓬勃发展。科学家和工程师们正准备下周在加州圣路易斯奥比斯波(San Luis Obispo)召开年度CubeSat开发者研讨会。他们正在庆祝去年创纪录的63次部署，几乎是2003年发射以来130次部署的一半。专家表示，这些机器终于开始解决有价值的科学问题。位于马萨诸塞州剑桥市的哈佛-史密森天体物理中心的空间历史学家乔纳森·麦克道尔说:“十年后，他们终于做了一些事情，而不仅仅是说，lsquo;嗨，我还活着rsquo;。”
从探测可能伴随地震的电磁信号，到监测太空中细菌蛋白质的产生，立方体卫星已经被广泛应用。其中一项任务甚至计划成为第一个离开地球轨道的:激励号，这两颗立方体卫星最早可能在今年年底发射。它将跋涉150万公里，相当于到太阳距离的1%，并从那里绘制出太阳风带电粒子的分布图。
立方体卫星是1999年作为一种教育工具发明的。它们被设计得小巧简单，足以让研究生建造，而且它们有一个标准尺寸，便于火箭容纳它们。加州斯坦福大学的航空工程师罗伯特·特威格斯(Robert Twiggs)和加州理工州立学院(California Polytechnic State Institute)的卫星部门在圣路易斯·奥比斯波(San Luis Obispo)设计了一个10厘米高的盒子:只够装一个通讯单元、太阳能电池板、一块电池和一些额外的部件。整个包裹重约1公斤。第一颗立方体卫星于2003年发射，当时有6个项目搭乘俄罗斯的Eurockot运载火箭，每立方成本约为4万美元。
2010年，NASA启动了一项立方体卫星发射计划，每年为十几位成功的申请者提供免费搭车服务，让他们搭乘主载飞船。该计划已经为100多个项目提供了发射点，尽管到目前为止只有24个项目成功进入轨道(其余的项目还在等待名单中)。
日益增长的需求
2012年，另一条进入太空的途径出现了:国际空间站的部署。立方体卫星的建造商可以继续向太空探索技术公司(SpaceX)等商业发射供应商支付每立方卫星8万美元的费用。Twiggs说，自2003年以来，由于需求增加，价格一直在上涨。
与此同时，十多家商店如雨后春笋般涌现，出售标准化的零部件。在加州旧金山的Pumpkin公司，一个底盘的售价约为7500美元;一块太阳能电池板大约2500美元。Twiggs说，整个立方体卫星的建造成本不到10万美元。“这取决于你是否有免费的学生奴工。”
“我喜欢这个想法，我基本上可以在沃尔玛买到东西，然后用卫星发射出去。”如此低的成本促使国家科学基金会在2007年启动了一项计划，鼓励使用立方体卫星作为一种比数百万美元的卫星任务更快获得更多数据的方式。美国国家科学基金会CubeSat项目负责人乔根森表示:“这确实是出于好奇才开始的。”他对研究结果感到惊喜。“就我们想要的太空天气数据而言，实际上在立方体卫星上没有什么是我们放不下的。“到目前为止，该方案已经资助了10个任务，包括萤火虫，每个大约90万美元。
国家科学基金会的展示任务是RAX-2卫星，它像萤火虫一样，是一个三立方体卫星。它于2011年发射，历时18个月，测量了由太阳风暴引起的电离层湍流。RAX-2被设计用来测量通过电离层进入太空的强大地基雷达发射机发出的信号的散射。
乔根森说，这次任务收集到了关于上层大气中的电子如何升温的惊人数据，这应该能改进太空天气对卫星影响的模型。(H. Bahcivan et al. J. Geophys. Res. 119, 1233–1249; 2014) RAX团队现在正在为一个后续的立方体卫星任务提出建议，该任务将监测电离层对电视信号的散射。
“灵感”项目耗资550万美元，将监测太阳附近的太阳效应。随着卫星对慢慢分离，这些单位将绘制出不同尺度的太阳风湍流图。加州帕萨迪纳喷气推进实验室INSPIRE项目的首席研究员Andrew Klesh说，这将是首次测量到小于10公里的湍流特征。但他说，这项任务的大部分价值将仅仅在于证明立方体卫星能够在地球轨道之外生存、导航和通讯。为了准备好这些卫星，研究小组不得不将一个远程无线电缩小一个数量级，并在不到20个月的时间里建造微型冷燃气推进器。
私人公司也在投资立方体卫星。旧金山的行星实验室于2010年由三名前NASA科学家建立，今年2月发射了一套地球成像系统。该星座由创纪录的28颗卫星组成，每颗卫星都是一个三立方的单元，从国际空间站的一个船坞发射。Twiggs说，通过使用如此多的卫星，科学家理论上可以每天不止一次地获取地球上某一特定地点的数据，从而从根本上改善了实时监测。“这是立方体卫星的杀手级应用，”他说。但是，如果没有推进器，目前还不清楚这些卫星在返回地球之前会在多大程度上展开，很可能在一年内。该公司拒绝就目前的数据置评。
追求更小
该领域的领导者现在正在推动一个更小的标准规模。2009年，Twiggs将一颗立方体卫星瘦身为5厘米见方的“口袋qube”;第一批四个于2013年11月推出。其中一个被戏称为50美元sat的演示项目，部分成本仅为几百美元，包括一个14美元的双向无线电芯片。特威格斯说:“我喜欢这个想法，我基本上可以在沃尔玛买到东西，然后用卫星发射出去。”目前，就零部件和推出机会而言，较小的尺寸缺乏较大型号的规模经济。
一些人甚至偏爱更小的设备。4月18日，SpaceX的一枚火箭将把一颗由kickstarter公司出资3万美元的立方体卫星KickSat送入国际空间站。大约两周后，在KickSat被逐出国际空间站后，104枚邮票大小的“芯片”将被释放。这些装有无线电发射器的芯片以大约300美元的价格被拍卖给任何想要的人。
目前，芯片和口袋大小的卫星只能广播它们的位置或一条短消息。但是“事情将从噱头发展到相当快的回归”，美国宇航局高级探索系统部门主任Jason Crusan预测。成群的这样的卫星可以提供一个目标的万花筒视图，或者被视为一次性任务。
英国布里斯托尔大学(University of Bristol)物理学家、客座研究员迈克尔bull;约翰逊(Michael Johnson)表示，其中一个想法是研究土星环。“你可以用一颗价值10亿美元的卫星做到这一点，它必须远离地球才能安全。”
约翰逊说，他是KickSat任务的联合创始人，也是PocketSpacecraft.com公司的创始人。他说，“或者你可以驾驶1万架低成本飞机，在环中的一块更大的岩石上着陆”。约翰逊说，PocketSpacecraft.com正在设计一种芯片，它非常薄，在重返大气层时不会烧坏。这可能使研究人员能够绘制出地球上层大气的风图，或者在火星表面建立一个加速度计网络。
乔根森还没有确信芯片的用处。不过，她仍然保持开放的心态。“很难想象他们有足够的能力，”她说，“但这正是人们对立方体卫星的看法。”
(更正新闻报道“乌克兰科学陷入混乱”(Nature 508,15 - 16;2014年)不属于克里米亚天体物理观测站，而是属于该地区的一个军事雷达站。天文台的正确图像可以在go.nature.com/elhdtf上看到。)
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