火箭模型设计方案（立方体卫星技术的设计）

火箭模型设计方案（立方体卫星技术的设计）（2）结构标准立方星平台系统包括结构、热控、电源、姿控、通信和星务计算机等分系统，采用PC104总线。立方体的卫星设计技术标准： （1）卫星平台总体框架

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立方体卫星是国际上广泛用于大学开展航天科学研究与教育的一种小卫星，具有成本低、功能密度大、研制周期短、入轨快的特点，通过组网形成星座，可实现对海洋、大气环境、船舶、航空飞行器等监测。可应用于空间成像、通信、大气研究、生物学研究、新技术试验平台等方面。另外在空间演示验证及科学研究等领域具有重要的应用价值。针对立方星如此多的优势，下文将从立方体卫星的设计、发展和运用三个方面进行解读。

科学家手持立方星

立方星的结构

立方体的卫星设计

技术标准：

（1）卫星平台总体框架

立方星平台系统包括结构、热控、电源、姿控、通信和星务计算机等分系统，采用PC104总线。

（2）结构标准

为实现卫星的统一设计，立方星结构设计需要满足 :

a. 结构外形切面方向尺寸 (100 ± 0 .1 )mm ;

b. 一单元立方星纵向尺寸小于 (113 .5 ± 0 .1 )mm ;

c. 三单元立方星纵向尺寸小于 (340 .5 ± 0 .3 )mm ;

d. 卫星质心与形心偏差在20mm 以内。

（3）电接口标准

发射时，星上设备必须断电，避免对主星产生影响；卫星安装1~2个分离开关，用于在入轨前切断电源，入轨后打开电源。

（4）入轨操作标准

所有展开机构，包括天线、太阳电池阵等，需在卫星入轨30min后展开；卫星通信发射机功率大于1 W 时，需在卫星入轨30min后开机。

技术特点

第一，采用商用现货，标准模块化。立方星的部件更依赖商用现货，每一个部件都是严格遵守技术设计的标准来完成，不得有半点疏忽。由斯坦福大学和加州理工学院提出的《立方星设计标准》(CDS) 中明确定义了立方星的外部尺寸和设计规范草图、力学、电力、操作及试验等标准。其实具有标准模块化的结构是立方星有别于其他微小卫星的重要特点。

第二，立方星的脱轨能力尚不成熟，多采用800千米以下的低轨道，主要作为次级有效载荷搭乘发射。也就是说近地轨道或太阳同步轨道运行，搭乘发射后从适配器或国际空间站在轨释放。运载器甚至可以帮助完成设计工作，还可保护主任务有效载荷和运载器的安全，发射入轨后立方星从适配器中弹出。

第三，立方星通常采用近地轨道，多颗甚至上百颗立方星组成星座不仅具有较高的空间分辨率，更可提高重访速率。也就是说相比于其他小型的卫星，多颗立方星可具有更高的清晰度。

第四，以低成本为驱动目标的立方星地面站多采用商用现货硬件设备和政府现货软件，以高校为主负责运营。地面对于立方星的控制是一体化的，更集中的。这些控制中心连为一体，跟有效的对立方星进行控制。现在立方星控制中心通信频段通常采用甚高频或特高频；只需通过一台台式电脑即可对平台和有效载荷实施跟踪、遥测与控制。十分方便。

第五，立方星的研制发射成本低、周期短，非常适合某些创新技术率先通过立方星得到飞行演示验证。立方星可以对政府、个人，甚至政府和军队亦可充分利用高时间分辨率影像数据监视敌对势力的地面资产和活动。立方星还可用来辅助监视他国空间资产，提升定位精度，亦可用于预警，防止空间资产与空间碎片等发生碰撞一些重要的功能。

立方星的微小推力器

立方体卫星的发展

立方星平台核心系统包含结构热控系统、星务系统、姿态控制系统、电源系统和通信系统等。所以后面立方星的发展也主要是从这几个方面进行进步和提高。材料的选择是保证立方星质量和刚度的关键。铝合金是航空航天领域传统材料，由于其具有密度低、比强度和比模量较高、以及导热率良好等优点，是目前立方星结构首选材料。但是碳纤维增强复合材料具有无裂纹、热稳定性好和比强度比刚度高等优点，且结构可设计为各向异性，在立方星结构设计中日益受到重视。同时3D打印技术的运用同样给立方星的材料提供支持。

常用的被动热控的方法有热控涂层、多层隔热材料、相变材料和导热填料等。但对于电池和相机等对温度要求较高的组件，仍然需用主动热控，常用的主动热控的方法有电加热器、空间辐射器和机械接触式热开关等，所以将主动热控手段小型化应用于立方星是未来的发展方向。

星务系统是立方星的管理系统，当前立方星星务系统的处理器大多选用低功耗商用器件，并具备至少30 MIPS 的处理能力。立方星是向高集成度、高可靠性设计向更低功耗、更小的体积方向发展。

立方星姿控系统的主要任务是确定和控制卫星的姿态。随着 MEMS技术的发展，越来越多的高精度姿态敏感器件以及姿态控制器件成功实现了微型化，并集成于立方体卫星，如微型太阳敏感器、星敏感器和地球敏感器等，这些器件的加入将使得立方星姿态确定水平能够达到1°以内。

在电源存储方面，由于锂电池具有较高的充放电效率、比能量高及循环寿命长等优点，目前立方星基本都采用锂离子电池或锂聚合物电池。接下来的发展主要是向高利用率的电池进行发展。

立方星的太阳能电池贴片

立方体卫星的应用

组网辅助大卫星构成快速响应、抗毁空间体系架构。未来立方星将可快速发射组网，响应战时需求，以发射入轨或在轨机动的形式补充缺失轨位。因为立方星具有成本低、空间小等特点，所以更有优势在空间结构方面。

单颗立方星将扩充空间攻防力量，亦将成为低成本深空探测新方案，并且先进微型推进技术的不断发展以及立方星的低成本、便于搭乘等优点将使立方星成为深空探测的新方案。

民商用中分辨率遥感与通信星座挑战传统微小卫星星座，小型卫星的商业价值高，因为其具有高分辨率，成本低特点便于操控。

作者：钱航 中国科学院国家空间科学中心博士

现运载火箭技术研究院总体设计部型号设计师

联系邮箱：qianhang10@mails.ucas.ac.cn

作者个人订阅号：星际奇航

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