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江范全林
中国科学院国家空间科学中心
01空间科学是以航天器为主要平台，研究地球空间、日地空间、行星际空间乃至整个宇宙空间中发生的物理、天文、化学、生命等自然现象及其规律的科学(1)目前，宇宙飞船正朝着两个方向发展:更大和更小。一方面，它正在开发集成型大功率卫星。例如，美国航天局将于2020年后发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)质量为6.2吨，主反射镜直径为6.5米。另一方面，将开发重量轻、小型化的小型卫星。其中，立方体卫星是采用国际通用标准的微纳卫星，以U为单位，1U体积为10厘米×10厘米×10厘米，1U重量一般不超过1.33公斤根据任务的需要，立方体卫星可以扩展到2U(10厘米×10厘米×20厘米)、3U甚至16U以上。图1 1U立方星示意图(图片来源:韦伯州立大学)
立方星采用商用现成组件和标准、模块化设计，成本低、功能密度高、开发周期短。它为更多的人开展科学研究和技术开发提供了可能性，包括学生、各种规模的学院和大学、技术开发人员和群众采购活动等。它给太空探索带来了革命性的变化。立方星的概念是由加州理工学院和斯坦福大学的乔迪·佩格·苏亚利教授和鲍勃·特威格斯教授于1999年提出的。它一经提出，就掀起了一股国际研究热潮。2003年，世界上第一批立方星成功发射，开启了空间演示试验和应用的舞台。2013年是立方星快速发展的新起点，用于商业和科学研究的立方星数量增加了一倍。截至2019年1月，人类已经发射了1000多颗立方星，其中900多颗已经成功进入轨道。在过去的两年里，用于科学研究的立方星的数量急剧增加，如图2所示。(3)。立方星已经成为科学卫星家族的新成员。已经成为空间科学探索的重要手段之一。近年来，立方体卫星被广泛用于低地球轨道的空间科学研究，产生了许多创新想法，而不仅仅是用作教学工具或工程和技术验证。通过一系列立方星平台，在国际上取得了重要的科学发现和成就，如美国的“科罗拉多学生空间气象实验”(CSS WE)、小型X射线太阳光谱仪立方卫星项目和欧洲牵头的QB50项目。
MinXSS任务是一颗由美国国家科学基金会资助、密歇根大学建造的3U立方星。它于2016年5月部署在国际空间站。它是由鲁文拉马特高能太阳光谱成像仪发射的。RHESSI和接口区域成像光谱仪(IRIS)对其任务无法覆盖的能带进行了科学研究和测量。⑤进行了“填空”观察QB50项目是欧盟在2011年发起的一个国际合作项目。它计划组成一个由大约50颗2U和3U立方卫星组成的星座，在适当的位置探测200 ~ 380公里的地球大气热层。中国共有五所大学参加了该项目，包括西北工业大学的“奥象一号”、哈尔滨工业大学的“LilacSat一号”、南京工业大学的“NJUST一号”、“国立”国立成功大学的“凤凰”(中国台湾)和国防科技大学的“国防科技大学卫星”
图3 QB50项目示意图(一)；中国魔方之星(B)参与QB50项目，从左至右依次为:腾飞1号、紫丁香1号、南方科技1号、凤凰(中国台湾)、国防科技大学魔方之星
cssve任务是一颗由美国国家科学基金会资助的3U立方体卫星，即一颗鞋盒形粒子空间望远镜卫星。它由科罗拉多大学博尔德分校大气和空间物理实验室的本科生和研究生团队设计和操作。设计寿命为3个月，实际运行时间超过2年。2012年9月，CSSWE发射进入地球轨道，执行ELaNa VI任务，测量高能太阳质子和电子通量，这有助于科学家理解太阳高能质子、耀斑和日冕物质抛射之间的关系及其对地球空间天气的影响。
图5土星运行的MarCO-A和MarCO-B示意图(图片来源:美国航天局)由科罗拉多
大学的李欣怡教授领导的研究小组在《自然》杂志上发表的研究报告中指出，根据CSSWE任务的探测数据，在范艾伦辐射带发现了高能电子。这一发现证实了先前科学家对范艾伦辐射带形成原理的理论解释，即当超新星爆发时，内辐射带(主要在其内边缘)中的高能电子是在宇宙射线的作用下形成的。具体来说，如图7所示，这些强宇宙射线猛烈撞击地球附近的原子，导致中子衰变，在宇宙射线反照率的中子衰变过程中分解成质子和电子，然后被地球磁场捕获结果，围绕地球的范艾伦辐射带形成了。范艾伦辐射带会对飞船造成一些伤害。自从1958年人类第一次使用探索者1号发现范艾伦辐射带(图8)以来，美国和俄罗斯的科学家一致认为“宇宙射线反照率中子衰变”的过程可能是地球磁场捕获高能粒子的来源，但在随后的60年里，人类一直无法探测到中子衰变产生的相应电子。CSSWE的成就是人类首次在范艾伦辐射带内缘附近发现高能电子，并最终解开了困扰科学家60年的谜团。< br>图6 CSSWE立方体星(图片来源:科罗拉多大学博尔德分校)
图7根据CSSWE探测数据，地球磁场不同位置的电子通量为0.5 MeW:从地球核心磁场到某一磁力线的距离)。从范艾伦辐射带捕获的电子
可以看出，经过几十年的发展，立方体卫星已经从最初的教育工具和技术验证功能发展成为空间科学领域进行发现的重要平台，在科学研究中发挥着不可替代的重要作用。
世界上主要的空间机构越来越重视立方星，并利用立方星进行空间科学探索国际空间研究委员会(空间研委会)、美国国家科学院(科学院)、美国国家科学基金会(科学基金会)和其他机构组织了相关会议，讨论立方体卫星在进行空间科学探索方面的优缺点，并发布了相关研究报告和路线图，如“空间科学小型卫星”和“科学探索立方体卫星”
图9 2014年，立方体卫星被《科学》杂志评为十大科学突破之一。近年来，美国航天局发起了一系列倡议、挑战和其他活动，以促进立方体卫星在空间科学研究和相应技术开发中的使用。美国宇航局载人探索和运行任务部已经启动了“立方体卫星发射计划，CSLI”，其立方体卫星的近50%用于科学研究。美国航天局的空间技术任务部还设立了“立方体卫星探索挑战”，为立方体卫星提供执行深空探索任务的机会，以便它能够在月球附近执行先进的空间任务，并进一步进入深空。美国航天局的空间科学部在“探索者”的框架下选择了日光层物理学的小型科学任务来研究太阳风及其动态效应。美国国家航空航天局的三项主要太空任务都部署了相对的卫星，对立方星的重视是显而易见的。以下是对美国航天局空间科学任务部部署的两个小型日光层物理科学任务的描述和分析。
图10美国国家航空航天局的“立方体发射计划”(图片来源:美国国家航空航天局)
美国国家航空航天局科学任务部于2019年6月选择了两个小型日光层物理科学任务，对太阳风及其动力效应进行深入研究，并让美国宇航员重返月球及相关关键技术(Artmis Program，2024)奠定基础的两项任务分别是“极地统一日冕和日光层(PUNCH)”和“串联重联和尖点电动侦察卫星(Cusp Electrodynamics侦察卫星(COMPICH)”图11美国国家航空航天局选择了PUNCH和TRACERS任务来研究太阳风及其动力效应(图片来源:美国国家航空航天局)
图12 PUNCH图(图片来源:美国西南研究所)
PUNCH是由4个手提箱大小的6U立方体恒星组成的星座。轨道高度为560公里(黄昏轨道)。其中一颗恒星使用窄视场成像仪(NFI)来观察日冕的结构。其他三颗恒星使用宽视场成像仪来研究星际物质的传播。PUNCH将首次对在内日光层传播的太阳风暴进行实时三维偏振成像探测。首席科学家是克雷格·德福雷斯特博士，美国西南研究所的太阳物理学家就预算而言，包括发射费用在内，其总预算不超过1.65亿美元，这是探索者计划的一个小任务。
TRACERS包括两颗小型卫星，它们将携带高能电子探测器和感应磁力计，对磁层顶和北极尖端区域的电子喷流和磁场进行实时原位测量。太阳耀斑的爆发、日冕物质抛射的形成、边界层中太阳风与行星磁层的相互作用以及行星磁尾中累积能量的爆发都是磁重联的不同表现。TRACERS将覆盖磁层和极地区域的顶部和底部，并同步探测该区域由一系列磁重联事件驱动的空间天气现象和规律。它的首席科学家是美国爱荷华大学的物理学家克雷格·克莱津教授。上述范艾伦辐射带是由该校的詹姆斯·范·艾伦教授利用世界上第一颗科学卫星“探索者1号”发现的。由于TRACERS将一起发射PUNCH任务，不管携带它们的成本如何，它的预算不会超过1 . 15亿美元，这也是探险家计划的一个小任务。
美国国家航空航天局强调，一方面，在2022年8月之前，将把PUNCH的四颗6U立方星和TRACERS的两颗小卫星打包在一起发射，以降低成本。另一方面，这两项任务将联合开展大科学/高科学研究。
PUNCH和TRACERS由美国宇航局戈达德太空飞行中心(GSFC)的探索者项目办公室管理探险者计划通过创新、低成本和高效的管理模式，为天体物理学和日光层物理学的科学研究提供频繁的发射机会，并在大规模任务未覆盖的前沿领域“填补空白”。1958年发现范艾伦辐射带的探索者1号是该计划的第一颗卫星。在探险者计划的框架下，90多项任务相继发射，并取得了一系列重大科学发现和成就。许多科学家根据卫星数据获得了诺贝尔奖，例如1970年发射的x射线探测卫星Uhuru和1989年发射的微波背景探测器(cobe)。该计划主要采用首席科学家责任制，包括五类任务:中型任务(1.8亿至2亿美元)、小型任务(≤1.2亿美元)和大学研发卫星(≤1，500万美元)、机会任务(≤5，500万美元)和国际合作机会任务。
图14美国航天局探索者计划(照片来源:美国航天局)
美国已经开发了一个类型齐全、学科全面的空间科学计划。它非常重视立方星等微型卫星，并对科学任务进行合理布局。近年来，立方体卫星在空间科学探索中的作用越来越受到重视。美国的成功实践值得我们思考和借鉴。
综上所述，经过几十年的发展，立方体卫星已经成为一个成熟的卫星平台，为科学探索提供了更加灵活的工具，并取得了令人瞩目的成就。
目前，中国空间科学产业已进入新的发展阶段，正在向世界舞台的中心靠近。空间科学试点项目已经成功实施，发射了“悟空”、“十戒”、“墨子”、“颜回”等任务，取得了一系列重大成果。空间科学(第二阶段)试点项目已经启动并实施了一些卫星项目。预计它将在时域天文学、太阳磁场与爆炸的关系、太阳风-磁层相互作用定律、引力波电磁对应物等领域取得重大的原创性成就。然而，这些任务都是大规模的卫星项目。尽管中国参与了一些利用立方体卫星平台进行空间科学探索的国际合作项目，但总的来说，中国的发展仍然滞后。
令人欣慰的是，作为我国空间科学发展的领导者，中国科学院越来越重视基于立方体星平台的空间科学任务的培养。据报道，在2019年部署的空间科学(第二阶段)试点项目的前期研究项目中，旨在2030年进行空间天文学研究的"全可变源跟踪猎人星座"计划得到了支持。该望远镜计划由大约100颗8U的立方体恒星组成，携带一架基于LIGA微狭缝光学的聚焦x射线望远镜，该望远镜致力于观察将在多波段和多信使时代不断发现的巨大可变源。“磁场重联自适应多尺度微观计划”旨在通过自适应地调整12颗微卫星的形成结构，同时测量宏观尺度、离子运动尺度和电子运动尺度上物理过程的耦合，来实现磁场重联是如何实际发生的我们有理由期待国内空间科学界利用立方体卫星这一“新”航天器平台开展科学研究，补充传统的大中型空间科学卫星，促进中国空间科学的重大发现和突破，帮助尽快实现建设科技强国和航天强国的目标。
本文得到了空间科学“综合示范”试点项目(第二阶段)的支持(项目编号:Y7291A1AGS)
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这篇文章选自《现代物理知识》2019年第6期
这篇文章被授权从《现代物理知识》微信公众号< br>▼上一篇精彩评论▼转载