受美国国家科学基金会（NSF）和美国国家航空航天局（NASA）委托，美国国家科学院2016年5月27日发布了题为《利用立方体卫星开展科学研究》的报告^[1]，系统地回顾了立方体卫星（CubeSat）的发展历史，综述了正在飞速发展的立方体卫星技术，评估了立方体卫星在空间科学研究中的重要作用，遴选出适合优先利用立方体卫星开展研究的相关空间科学领域，并提出与未来进一步推动立方体卫星开展科学研究相配套的政策和管理建议^[2]。

立方体卫星^[3]的概念最早是在1999年提出的，最初的目标是开发一种小型空间技术教育平台。经过多年的发展，立方体卫星已经成为空间领域的一种颠覆性技术，具有相对较低的开发成本和低成本快速响应发射等优势，在商用、国土和国家安全等领域发挥了越来越重要的作用。立方体卫星已经成为微小卫星发展的主要方向之一，实用化立方体卫星技术曾入选《科学》杂志2014年度十大科技进展^[4]。

与美国作为全球立方体卫星研究的主导者[2000-2015年间美国发射的立方体卫星数量占全世界发射总量（327颗）的77%]不同，我国立方体卫星研究起步较晚：6月26日由西北工业大学自主研制的世界首颗12U立方体卫星“翱翔之星”搭乘长征七号运载火箭成功升空，卫星将首次开展在轨自然偏振光导航技术验证，拓展立方体卫星科学研究与应用的领域，并有望影响未来立方体卫星设计国际标准的制定^[5]。美国国家科学院报告的研究及其观点可为我国立方体卫星的科学应用发展提供有益参考。

一、适合利用立方体卫星开展研究的空间科学领域

尽管几乎所有的空间科学研究领域都可能受益于颠覆性的立方体卫星技术，但受限于体积和功率，立方体卫星在任务目标单一、任务持续时间较短、低成本任务或需要进行多点观测的任务中更具优势。报告建议优先在以下领域利用立方体卫星任务开展研究：（1）太阳物理、空间物理和空间地球科学领域，用于研究地球大气边界区域；（2）空间地球科学和应用领域，用于开展多点、高时间分辨率地球过程观测；（3）行星科学领域，用于行星表面和大气的物理/化学性质原位观测；（4）天文学、天体物理、太阳物理和空间物理领域，用于低频射电科学研究；（5）空间生命科学领域，用于研究生物在空间的生存和适应性。

二、立方体卫星技术发展趋势

报告分析了立方体卫星使能技术及其在空间科学各分支研究领域的潜在应用案例（见表1）。立方体卫星推进技术有望应用在星座部署和维护、编队飞行、高时间分辨率观测星座、轨道维护、分布式孔径等领域；亚角秒姿态控制技术将应用在高分辨率成像领域；通信技术将帮助低地球轨道以远等飞行任务实现高数据速率、直接到地球的通信；传感器技术将实现紫外/X射线成像以及对高层大气等离子体的原位测量；热控技术将为空间生命科学任务提供稳定的载荷环境；可展开技术将扩大卫星的空间，帮助实现更好的热控和火星轨道以远增强的发电能力。

报告还梳理了立方体卫星技术各子系统的技术状态和性能。近年来，立方体卫星各子系统的技术水平有了极大提升。姿态确定和姿态控制系统的精度较过去提升了2个数量级以上；通信能力到2017年将超过100兆比特每秒；推进系统将采用化学、等离子体和电推进等多种技术；发电系统将采用可展开、太阳跟踪大功率太阳电池阵列；热控系统将采用被动式热管、散热叶片、可展开遮阳罩等一系列新技术；数据处理和存储系统将具备更高的性能和可靠性；未来将出现专门用于立方体卫星的多任务、动态管理实时操作系统；还将涌现多种小型卫星运载火箭甚至专用于发射立方体卫星的运载火箭。

表1  立方体卫星使能技术及其在空间科学各分支研究领域的潜在应用

三、推动利用立方体卫星开展科学研究的政策管理建议

为了更好地利用立方体卫星开展科学研究，报告为NSF、NASA以及其他相关机构提出以下重要政策和管理建议：

1、提供经费支持。政府的持续投资对于发挥立方体卫星在科学研究中的潜力以及持续推动立方体卫星技术的进步至关重要，尤其是对那些无法获得商业投资的空间科学研究领域。NSF应为已有的立方体卫星计划提供稳定、持续的经费支持，继续聚焦高优先级科学项目研究和下一代科学家/技术人员培养。NSF还应特别考虑加强对除太阳物理、空间物理外的其他领域立方体卫星任务的经费支持。

2、改革管理体制。NASA应建立专门的管理机构，以统一协调和管理其分布在各个任务部的多个立方体卫星科学/技术研究计划和任务，进而与立方体卫星科学研究人员进行更有效的沟通和对接，保证集成、测试和发射活动更为连贯，并为立方体卫星技术研究人员和供应商提供信息和经验交流平台。该管理机构应该具备较低的管理成本，并采用简化的管理模式，以灵活应对多样的科学研究要求和不断进化的技术进步。

3、开发各类计划。NASA应综合考虑每个科学目标和相应科学分支的成本、风险以及预期的科学回报，开发和维持多种类型的立方体卫星计划。计划的多样性对于立方体卫星针对新出现的需求和技术作出快速响应而言也很重要。

4、培养领域专家。NASA应通过开展立方体卫星科学任务，培养年轻学生和处于职业生涯早期的研究人员的领导力，科学、工程及项目管理能力，培育未来的首席科学家。NASA应接受与这一过程相关的风险。

5、研发卫星星座。由10个至100个立方体科学卫星组成的星座有望在空间天气、地球天气/气候、天体物理、行星科学等领域发挥关键作用。因此，NASA应该研究利用立方体卫星及其技术或相关开发思路开展大规模卫星星座任务的能力。

6、投资重点领域。报告研究专家组建议NASA及相关机构重点投资对立方体科学任务有重大影响的高带宽通信、精确姿态控制、推进技术以及仪器小型化技术4个领域的研发项目。为了扩大影响，相关投资应该在充分竞争的环境下授予科学团体以及多个研究机构，如NASA科学任务部、NASA空间技术任务部以及美国国防部相关中心等。

7、关注私立机构。NASA应以发展的眼光分析私立机构在立方体卫星研究中的作用。NASA应该较好地协调自身研发活动与私立机构研发活动之间的关系，明确NASA自身的优势以及如何通过与私立机构建立伙伴关系而获益。

8、制定相关政策。NASA和NSF应当协调其他相关联邦机构，共同审查并规划立方体卫星的相关政策，以最大限度地发挥立方体卫星作为重要科学研究工具的潜力。关注的主题可包括但不仅限于以下内容：立方体卫星机动、跟踪以及任务完成后脱离轨道的相关准则和规定；对日益增长的立方体卫星研究群体进行轨道碎片和频谱许可监管要求教育；继续提供立方体卫星低成本发射能力。当前及新制定的政策应促进立方体卫星领域的创新，并确保相关政策对美国和国际上的新兴研究团体而言科学、公平且可承受。

四、保障立方体卫星技术持续发展的建议

报告还指出，多年的应用已经充分展示了立方体卫星技术颠覆性创新的特征。未来立方体卫星技术可能给空间科学领域带来更为重大的影响，甚至有望带来航天产业的宏观调整。有鉴于此，报告建议用以下最佳实践指导立方体卫星的持续发展。

1、避免立方体卫星过早成为焦点。过早地对立方体卫星研究工作采取自上而下的管理模式，将减缓开展风险较大的计划，因此也会限制潜在的技术突破。

2、保持低成本是立方体卫星开发的基石。从长远看来，低成本任务对受限平台、卫星标准化以及高风险承受能力带来的挑战，往往会带来技术创新。

3、妥善管理。为了减少低成本任务的管理负担，立方体卫星领域的专家应该在相关政策的制定、审核以及研究提案的评审过程中充分发挥作用。                                        

 （王海名 杨帆）