焦子龍 （北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所）

QB50項目概述

焦子龍 （北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所）

1　 概述

立方體衛(wèi)星是指以尺寸為10cm×10cm×10cm，質量不大于1kg的皮衛(wèi)星為標準單元（1 U）。采用10cm×10cm×20cm大小的結構稱為2U，采用10cm×10cm×30cm大小的結構稱為3U。它包含普通衛(wèi)星的所有功能，如姿態(tài)確定與控制、通信、體裝或展開式太陽電池板、星載計算機及科學載荷等。立方體衛(wèi)星采用商業(yè)器件，成本低，一般為5萬～10萬美元。由于其功能極為受限，因此主要被大學用于教學目的。但多顆立方體衛(wèi)星組網，攜帶相同的載荷，完全能夠開展科學探測任務，并且組網探測避免了由于單顆立方體衛(wèi)星失效造成的任務失敗。

立方體衛(wèi)星的基本組成

QB50計劃軌道部署示意圖

總裝中的烏克蘭旋風-4火箭

歐洲航天局在歐盟第七框架計劃（FP7）支持下，開展了大氣低熱層探測的QB50計劃。QB50的任務目標描述為“演示驗證全球大學團隊研制的50顆立方體衛(wèi)星網絡，由低成本運載火箭發(fā)射，完成對大氣低熱層進行探測的一流科學任務”。由于衛(wèi)星在軌壽命很短，若采用現有航天器研制試驗流程及規(guī)范研制50顆衛(wèi)星，成本極其高昂，項目不具可行性。因此采用低成本的立方體衛(wèi)星則是開展低熱層原位探測的唯一選擇。

QB50采用旋風- 4（Cyclone - 4）火箭發(fā)射。運載火箭為烏克蘭南方設計局研制，南方機械廠制造。發(fā)射服務商為烏克蘭和巴西合資的阿爾坎塔拉·旋風空間公司（Alcantara Cyclone Space），發(fā)射地點位于巴西的阿爾坎塔拉發(fā)射場，發(fā)射日期定于2016年1月，軌道參數為高度380km，傾角98°的圓軌道。衛(wèi)星在軌部署后形成如珍珠項鏈式的布局。

2　 QB50　任務目標

開展QB50計劃的主要目的可以歸結為：增強低成本進入空間的能力，對大氣低熱層進行科學探測，空間新技術的演示驗證，教育教學等。

低成本進入空間

通過QB50計劃的實施，提高關鍵技術的技術成熟度，實現低成本空間科學探測及深空探測可持續(xù)發(fā)展的目標；并且對旋風-4運載火箭進行驗證，保證在未來10年具備低成本發(fā)射的能力；再有，通過國際合作，提高立方體衛(wèi)星平臺的標準化程度，促進技術發(fā)展。

大氣層結構示意圖

科學探測

QB50計劃對高度在200～380km范圍內的大氣低熱層進行探測，因為這部分大氣層是目前探測最少的。以前的衛(wèi)星探測任務采用大橢圓軌道（近地點200km，遠地點3000km），對這一區(qū)域的探測時間只有幾十分鐘，且為單點探測。探空火箭是目前的主要探測工具，但探測時間更短，只有幾分鐘。并且僅能探測飛行路徑上的參數分布。低軌(600～800km)高性能地球遙感衛(wèi)星也用于探測大氣層，采用的是收集不同高度大氣組分散射信號的方法。遙感衛(wèi)星對于探測低于100km的大氣是非常好的方法，但并不適于探測低熱層大氣，因為其散射信號極為微弱。同理，地基的微波雷達或激光雷達也難以探測低熱層大氣。因此，QB50的原位、多點探測將是對現有遙感衛(wèi)星和探空火箭探測的有利補充。

QB50衛(wèi)星載荷包括三組，分別為離子及中性氣體質譜計（INMS，由英國馬拉德空間科學實驗室研制），原子氧通量探測器（FIPEX，由德國德累斯頓工業(yè)大學研制）及多探針郎繆爾探針（mNLP，由挪威奧斯陸大學研制）。每組均包含多個熱敏電阻、熱電偶和鉑電阻溫度傳感器。每顆衛(wèi)星需要安裝三組載荷中的一組。

在軌演示驗證

作為技術驗證平臺，QB50計劃有40顆2U立方體衛(wèi)星用于科學探測，10顆衛(wèi)星不攜帶科學載荷，僅完成技術驗證任務。其中，QARMAN用于研究大氣層再入及相關的氣動熱力學現象。衛(wèi)星采用了燒蝕熱防護系統(tǒng)進行再入熱防護，安裝分系統(tǒng)的側板也有熱防護系統(tǒng)及隔熱結構。衛(wèi)星還將驗證被動離軌及non-powered交會對接。DelFFi由兩顆3U立方體衛(wèi)星組成，分別是Delta和Phi，任務目標是研制自主編隊飛行技術。InflateSail為薩瑞空間中心研制的3U立方體衛(wèi)星，其主要目標為驗證充氣帆的展開及硬化技術。充氣帆由1m長的充氣硬化圓柱桿組成，帆為3m×3m的薄膜。衛(wèi)星軌道為700km×300km。

教育教學

QB50項目向全世界開放，中國就有10所大學參與，包括西北工業(yè)大學、北京航空航天大學、哈爾濱工業(yè)大學、南京航空航天大學、國防科學技術大學、北京大學、上海交通大學、浙江大學、澳門大學和臺灣成功大學。學生通過親身動手參與立方體衛(wèi)星研制，能夠更深入、更全面地感受衛(wèi)星設計過程。相對于傳統(tǒng)航天設計工程學生一般都是做理論研究，或者所設計的部件要畢業(yè)多年后才能被送入太空，立方體衛(wèi)星大大促進了其對衛(wèi)星技術的理解，提高了其實際工作技能，同時也促進了技術傳播。

QB50載荷

QB50技術驗證衛(wèi)星

3　 QB50　前驅項目

2 0 1 4年6月1 9日，俄羅斯由“第聶伯”（Dnepr）運載火箭發(fā)射兩顆QB50前驅星，用于驗證軌道部署器、衛(wèi)星姿控、通信、載荷等技術。衛(wèi)星軌道為624km高的近太陽同步軌道。目前衛(wèi)星仍處于在軌測試階段。

4　 總結

QB50計劃的開展有力促進了立方體衛(wèi)星技術的發(fā)展，將使其發(fā)展成為空間技術中類似PC機那樣成本低廉、靈活方便、規(guī)格統(tǒng)一的大眾化商品。通過業(yè)余愛好者及普通大眾的參與，衛(wèi)星技術及其應用產業(yè)將獲得加速發(fā)展。

An Overview Of QB50 Project