立方星技術會顛覆傳統航天嗎？

1. 立方星技術簡介

CubeSat即立方星，是一個結構形狀呈立方體的微小衛星。這種衛星雖然重量輕體積小，但是能夠搭載一定的空間實驗載荷開展科學實驗，並且價格低廉，目前已經成為一種國際化的微小衛星標準。

CubeSat標準最初是由加州理工大學和斯坦福大學的一個團隊於1998年發起的，而第一次CubeSat發射是在2003年。標準化大大方便了衛星的測試與發射，確保了技術延續性和成熟度，並極大並降低了成本，這對於大學這樣的研究機構開展相關空間方面的研究是十分有利的，同時也能調動廣大學生的創新意識，因此獲得了高校和研究機構的廣泛關注。之後CubeSat如同雨後春筍般出現，至今已有幾十顆成功發射。

所謂麻雀雖小五臟俱全。立方星雖然體積小，但大衛星需要的系統它身上也都有，包括星務管理、通信、電源、姿態確定與控制、結構熱控、載荷等。不同的衛星任務決定了星上載荷的不同，從而對其他分系統的要求也不同，會根據具體的情況進行不同的設計。比如載荷的體積較大，就要選擇2U或者3U的衛星，耗電量較大的載荷就需要增加太陽能帆板等。

由於立方星一般飛行在較低的軌道上，設計和製造過程中大量採用商用元器件取代昂貴的航天級器件，有些甚至利用廉價的手機主板進行改造，使得衛星的成本大大降低，便宜的立方體納衛星建造成本只需幾十萬人民幣，僅為傳統小衛星的百分之一，大大降低了衛星開發的門檻。讓人感到神秘萬分的衛星走入各大高校。

一般來講，立方星的體積和功耗有限，功能比較單一，僅具備教學和科研價值。但隨著信息技術的不斷發展，電子學部件的集成度不斷提高，狹小空間內能夠實現的功能密度越來越大。近年來多顆具有一定實用價值的立方星陸續發射升空，這使得航天界開始思考：立方星有可能顛覆傳統嗎？

2. 立方星背後的技術創新

與傳統衛星相比，立方星至少在三個方面有明顯不同。一是工業級器件的廣泛應用，二是標準化、批量化的部件生產，三是大幅度簡化的系統和流程。

首先講器件。傳統航天任務中高等級器件佔用了至少1/3的成本。在工業領域幾十、幾百元的一個晶元，其宇航級產品往往造價高達十幾萬甚至幾十萬，所以同樣功能的一件設備，航天產品往往比地面民用或軍用產品成本高出一兩個數量級。立方星在最初是基於教學和科研目標提出的，衛星的成敗並不是一件很重要的事情，所以在一開始就主要依靠地面工業級器件，同時只追求相對短的在軌壽命。但在實踐過程中，立方星自身技術的發展使得其在軌實際壽命不斷提高，在保持低成本的同時逐步彌補了其壽命短板。

其次是標準化和批量化。傳統航天任務往往軍民結合，這使得各國的航天系統往往相對封閉。由於單個國家航天任務總量有限，因此各國的航天部組件都長期處於單件生產狀態，研製成本高居不下，同時產品的質量穩定性也受人為因素影響較大。立方星由於其本源上的教學和科研性質，相對容易地突破了國家界限，在此情況下一批標準化部件已經實現了全球銷售，總銷售量的上升推動生產商實現了小批量生產。藉助於現代工業的批量化生產手段，產品的一致性得以顯著提升，同時成本也進一步下降。

第三講體系和流程。傳統航天產品一般在各層級都有冗餘備份，從電路板上的電路備份，到設備中的板卡和模塊備份，再到系統中的設備備份，層層備份實現了航天器的高可靠性，同時也極大地推高了航天器總成本。不僅在體系上面有備份，在研製流程上傳統航天也規划了模樣件、初樣件、正樣件三套產品。模樣件主要進行功能驗證；初樣件與正樣件基本一樣，但初樣用於在地面進行破壞性考核，充分暴露潛在問題；正樣件才是真正用於發射入軌的最終產品。應該說，三階段的研製流程在確保最終產品的極高可靠性方面是非常必要的，但毫無疑問這也使得產品成本進一步翻翻。立方星技術從一開始就反其道而行之，以「最簡單的就是最可靠的」為核心理念，從系統設計層面放棄一切備份，做最簡系統；從研製流程層面只做一套產品。通過這兩方面的簡化，在犧牲部分可靠性的情況下，使得衛星成本大幅度降低。

3. 信息產業中的兩個顛覆性事例

近二十年來，信息產業領域有兩個行業顛覆性事例，或許能為立方星技術的未來提供一個參考。一是固態硬碟顛覆機械硬碟的故事，另一個是arm晶元顛覆intel晶元的故事。

從上世紀九十年代到本世紀初，在硬碟領域一直以摩托羅拉為龍頭，其機械硬碟始終在容量上引領潮流。九十年代中後期，固態硬碟技術開始出現，在很長一段時期內固態硬碟都因其容量不足而被行業龍頭輕視。摩托羅拉的固態盤團隊長期被邊緣化。這恰恰給了小公司一片相對寬鬆的天地，幾家小公司長期致力於固態盤技術的開發。若干年後，固態盤容量顯著提升，最終徹底顛覆了硬碟行業，當年的行業巨頭摩托羅拉完全退出了硬碟市場。

在intel晶元大行其道的時候，arm晶元很不被看好。相比intel的強大功能，arm除了功耗小之外，幾乎看不到其它優點。但仍然是一些小公司長期致力於arm晶元技術的開發，一方面arm的能力在不斷提升，另一方面隨著智能手機的全面普及，在功耗成為關鍵因素的手機領域，arm全面取代了intel，進而實現了對行業的顛覆。

4. 立方星會是下一個行業顛覆技術嗎？

迄今為止立方星技術在整個衛星領域仍屬於邊緣技術，由於其成本低、利潤薄，傳統的大院大所都不屑於實質性投入，在這種情況下也就為大學團隊和小公司留出了一塊小天地。

立方星的功能近年來呈現逐步增強的趨勢。幾年前的立方星基本上類似於我們國家的「東方紅一號」，能在軌活著，並與地面保持簡單通訊就可以了。但去年美國人在空間站上釋放的3U立方星，通過其自帶的相機實現了3~5米的對地解析度，這幾乎相當於十年前我們國家業務衛星的能力。近兩年多顆立方星發射升空，都攜帶了較複雜的載荷，任務複雜度持續加大。考慮到微電子和微機械技術的快速發展，可以預期立方星的功能密度將持續提升，相信目前很多大衛星的任務未來將逐漸由立方星替代實現。

傳統上航天由於其極高的成本，一直是一個只有政府才玩得起的高端行業。隨著立方星技術的發展，單顆衛星的總成本降低了一到兩個數量級，使得中小公司，甚至個人都有可能使用或者擁有衛星。我們並不能馬上說清楚這會帶來什麼變化，但從電腦和手機的發展歷史來看，衛星產業在民用領域未來擁有很大的想像空間，而在這個未知的空間里，立方星很可能會扮演更大的角色。

綜上所述，立方星技術似乎已經站在顛覆整個行業的起點上。但能否真正實現顛覆，不僅要看技術的發展，更在於致力於立方星技術的各類微小衛星公司的努力和智慧。