何慧東 李炤坤 張召才 （北京空間科技信息研究所）

QB50項(xiàng)目成功發(fā)射，航天國(guó)際合作再立典范

何慧東 李炤坤 張召才 （北京空間科技信息研究所）

QB50 Project Successfully Launched, and Become a Model for International Coorperation in Space

1 項(xiàng)目基本情況

QB50項(xiàng)目是歐盟2011年主導(dǎo)發(fā)起的國(guó)際合作項(xiàng)目，將對(duì)200～380km高度的地球大氣低熱層開(kāi)展多點(diǎn)原位探測(cè)，系統(tǒng)原計(jì)劃由約50顆立方體衛(wèi)星組成星座，實(shí)際規(guī)劃發(fā)射了2顆技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星和36顆科學(xué)探測(cè)衛(wèi)星。QB50項(xiàng)目主要目標(biāo)是促進(jìn)進(jìn)入空間能力發(fā)展、開(kāi)展大氣低熱層科學(xué)探測(cè)、驗(yàn)證新型航天技術(shù)、實(shí)現(xiàn)廣泛航天工程教育。

比利時(shí)馮·卡門流體力學(xué)研究所（VKI）負(fù)責(zé)QB50項(xiàng)目總體協(xié)調(diào)，國(guó)際15家機(jī)構(gòu)合作開(kāi)展了任務(wù)定義與實(shí)施保障、科學(xué)載荷、地面段、空間段、發(fā)射段等活動(dòng)，來(lái)自23個(gè)國(guó)家的40余所大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和公司參與衛(wèi)星研制工作。QB50項(xiàng)目總成本1176萬(wàn)歐元，其中歐盟“第七研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)框架計(jì)劃”（FP7）資助800萬(wàn)歐元。

QB50項(xiàng)目參與機(jī)構(gòu)和職責(zé)

2 項(xiàng)目發(fā)射和衛(wèi)星情況

QB50項(xiàng)目發(fā)射計(jì)劃一波三折，進(jìn)度被迫推遲。項(xiàng)目最初計(jì)劃使用旋風(fēng)－4（Cyclone－4）運(yùn)載火箭一次發(fā)射50顆衛(wèi)星，受到克里米亞危機(jī)以及巴西方面資金和技術(shù)問(wèn)題等多重因素的影響，旋風(fēng)－4火箭發(fā)射計(jì)劃最終取消。QB50項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)與國(guó)際發(fā)射服務(wù)提供商廣泛接觸，歷經(jīng)多次部署方案變更，最終確定從“國(guó)際空間站”在軌釋放和運(yùn)載火箭搭載發(fā)射的分批次部署方案。2014年6月19日，利用“第聶伯”（Dnepr）火箭發(fā)射2顆QB50技術(shù)試驗(yàn)立方體衛(wèi)星；2017年4月18日，進(jìn)行首次QB50科學(xué)衛(wèi)星發(fā)射，28顆QB50衛(wèi)星搭乘“天鵝座”貨運(yùn)飛船進(jìn)入“國(guó)際空間站”，并陸續(xù)釋放入軌；2017年6月23日，進(jìn)行第2次QB50科學(xué)衛(wèi)星發(fā)射，8顆QB50衛(wèi)星釋放進(jìn)入高505km、傾角97.1°的太陽(yáng)同步軌道。

QB50項(xiàng)目發(fā)射的38顆衛(wèi)星中，2顆開(kāi)展項(xiàng)目先導(dǎo)試驗(yàn)，對(duì)項(xiàng)目可行性和有效載荷進(jìn)行了驗(yàn)證；10顆攜帶“離子和中性質(zhì)譜儀”，用于測(cè)量離子和中性粒子；14顆攜帶“原子氧通量探測(cè)器”，用于測(cè)量低熱層氧原子和氧分子的分布；10顆攜帶“多針朗繆探針”，用于測(cè)量低熱層等離子體的電子溫度、密度等重要信息；2顆攜帶離軌裝置，在軌演示“阻力帆”離軌技術(shù)。

演示“阻力帆”離軌技術(shù)的QB50衛(wèi)星分別是“阻力帆-立方體衛(wèi)星”（DragSail-CubeSat）和“充氣帆”（InflateSail）衛(wèi)星?！白枇Ψ?立方體衛(wèi)星”驗(yàn)證再入大氣過(guò)程中的“阻力帆”離軌技術(shù)，并測(cè)試可展開(kāi)薄膜太陽(yáng)電池技術(shù)；“充氣帆”衛(wèi)星開(kāi)展基于冷氣發(fā)生器在軌充氣剛化技術(shù)和“阻力帆”技術(shù)的離軌試驗(yàn)，測(cè)試該技術(shù)未來(lái)應(yīng)用于低軌衛(wèi)星加速離軌的可行性。

QB50有效載荷：“離子和中性質(zhì)譜儀”（左）、“原子氧通量探測(cè)器”（中）、“多針朗繆探針”（右）

“阻力帆-立方體衛(wèi)星”示意圖

“充氣帆”衛(wèi)星示意圖

3 任務(wù)分析

航天國(guó)際合作模式不斷豐富，項(xiàng)目組織管理頗具特色

QB50項(xiàng)目打造了航天國(guó)際合作的新典范，在國(guó)際合作的模式、廣度方面較其他國(guó)際合作航天項(xiàng)目均有所拓展。合作模式方面，采取一方主導(dǎo)、多方參與的機(jī)制，歐盟作為主導(dǎo)方負(fù)責(zé)提供部分經(jīng)費(fèi)支持，參與方分組分類，各司其職，分別完成任務(wù)定義與執(zhí)行支持、科學(xué)載荷研發(fā)、衛(wèi)星總裝集成、科學(xué)數(shù)據(jù)處理等任務(wù)。合作廣度方面，參與國(guó)家多，20余個(gè)國(guó)家參與了QB50項(xiàng)目；涵蓋主體全，包括高校、科研機(jī)構(gòu)與商業(yè)公司等。為避免廣泛國(guó)際合作帶來(lái)的協(xié)調(diào)不暢、進(jìn)度拖延問(wèn)題，QB50項(xiàng)目采用集中管理、分散實(shí)施的方式，構(gòu)建了由1個(gè)抓總單位、15個(gè)合作領(lǐng)導(dǎo)單位和40余個(gè)衛(wèi)星研制單位組成的三級(jí)組織架構(gòu)，定期討論，及時(shí)溝通，視實(shí)際情況適度調(diào)整執(zhí)行方案，確保任務(wù)總體推進(jìn)。

QB50項(xiàng)目衛(wèi)星

測(cè)試中的印度極軌衛(wèi)星運(yùn)載火箭-XL

開(kāi)辟空間科學(xué)應(yīng)用新方向，打造大學(xué)工程教育新模式

微納衛(wèi)星作為低成本利用空間的重要手段，已經(jīng)在空間科學(xué)研究、大學(xué)工程教育方面獲得了廣泛的應(yīng)用。QB50項(xiàng)目通過(guò)模式創(chuàng)新，采用衛(wèi)星研制全球多點(diǎn)并行、衛(wèi)星部署多星集中發(fā)射的方式，一舉開(kāi)辟了微納衛(wèi)星空間科學(xué)應(yīng)用的新方向，打造了微納衛(wèi)星大學(xué)工程教育的新模式。在空間科學(xué)方面，QB50項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了對(duì)地球大氣低熱層進(jìn)行低成本、長(zhǎng)時(shí)間、多點(diǎn)原位探測(cè)，獲得的低熱層數(shù)據(jù)能夠進(jìn)一步完善大氣模型，具有重要的科學(xué)價(jià)值；在工程教育方面，QB50項(xiàng)目改變了以往微納衛(wèi)星工程教育項(xiàng)目小范圍、淺合作的模式，面向全球大學(xué)招募合作伙伴，提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)載荷套件，在一致化框架下開(kāi)展深度合作，實(shí)現(xiàn)了廣泛航天工程教育的任務(wù)目標(biāo)。

聚焦低成本發(fā)射技術(shù)，研制的釋放裝置已獲成功應(yīng)用

“一箭多星”、搭載發(fā)射、空間站釋放等低成本進(jìn)入空間技術(shù)的發(fā)展，是微納衛(wèi)星大規(guī)模應(yīng)用的前提。從項(xiàng)目執(zhí)行過(guò)程看，QB50項(xiàng)目既是低成本進(jìn)入空間技術(shù)的“受益者”也是“貢獻(xiàn)者”。一方面，QB50項(xiàng)目分別利用“國(guó)際空間站”在軌釋放和“第聶伯”、“極軌衛(wèi)星運(yùn)載火箭”搭載發(fā)射的方式完成星座分批次部署，顯著降低了項(xiàng)目發(fā)射成本。另一方面，QB50在立項(xiàng)之初即將低成本進(jìn)入空間技術(shù)視作任務(wù)目標(biāo)之一，成功研制了微納衛(wèi)星在軌釋放裝置，由荷蘭航天創(chuàng)新解決方案公司研制的“四聯(lián)裝”（QuadPack）立方體衛(wèi)星部署器與世界現(xiàn)役主流運(yùn)載火箭的接口兼容，已多次在“一箭多星”發(fā)射中得到成功應(yīng)用。2017年2月15日，印度“一箭104星”發(fā)射任務(wù)使用了25套“四聯(lián)裝”部署器，2017年6月執(zhí)行的QB50項(xiàng)目發(fā)射任務(wù)也使用了“四聯(lián)裝”部署器。

充分考慮空間安全問(wèn)題，演示驗(yàn)證衛(wèi)星離軌技術(shù)

國(guó)際社會(huì)日益關(guān)注空間碎片減緩和空間安全問(wèn)題，大型星座計(jì)劃的提出、發(fā)射與在軌運(yùn)行均會(huì)引發(fā)各界高度關(guān)注。歐盟在主導(dǎo)實(shí)施QB50項(xiàng)目時(shí)對(duì)此高度重視，預(yù)先充分分析論證，提前制定嚴(yán)格規(guī)范、采取實(shí)際操作措施，降低大量立方體衛(wèi)星發(fā)射入軌導(dǎo)致的空間碰撞風(fēng)險(xiǎn)和空間碎片問(wèn)題。QB50項(xiàng)目在任務(wù)初期就開(kāi)展了專門的衛(wèi)星編隊(duì)飛行研究、衛(wèi)星氣動(dòng)分析和軌道壽命計(jì)算，并緊密圍繞探測(cè)大氣低熱層的任務(wù)需求，選擇了較低的衛(wèi)星運(yùn)行軌道。按照發(fā)射部署方式不同，從“國(guó)際空間站”釋放的QB50衛(wèi)星壽命不到1年，運(yùn)行在太陽(yáng)同步軌道的QB50衛(wèi)星壽命不到2年，有效避免衛(wèi)星長(zhǎng)期駐留空間軌道可能帶來(lái)的空間安全隱患。此外，QB50項(xiàng)目還開(kāi)展在軌演示驗(yàn)證，探索“阻力帆”離軌技術(shù)在未來(lái)低軌衛(wèi)星上應(yīng)用的潛在價(jià)值。

2017年6月23日，歐洲QB50項(xiàng)目8顆立方體衛(wèi)星成功搭乘印度極軌衛(wèi)星運(yùn)載火箭－XL（PSLV－XL）進(jìn)入太空，至此完成規(guī)劃的第2批QB50立方體衛(wèi)星的發(fā)射。此前，在2017年4月18日，28顆QB50立方體衛(wèi)星搭乘美國(guó)宇宙神－5（Atlas－5）運(yùn)載火箭發(fā)射升空，并由軌道-ATK公司的“天鵝座”（Cygnus）貨運(yùn)飛船運(yùn)抵“國(guó)際空間站”（ISS），陸續(xù)利用立方體衛(wèi)星部署裝置釋放入軌。QB50項(xiàng)目將開(kāi)展迄今最大規(guī)模的地球大氣低熱層多點(diǎn)原位探測(cè)。

毛凌野/本文編輯