劉瑩瑩，周 軍，劉光輝，張佼龍，白 博，李 朋，黃 河，劉 睿

(西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院精確制導(dǎo)與控制研究所，西安 710072)

0 引 言

立方星(CubeSat)是一種采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化理念進(jìn)行設(shè)計(jì)的低成本納衛(wèi)星。標(biāo)準(zhǔn)的立方星采用的是“1U”架構(gòu)，即體積為10 cm×10 cm×10 cm，在此基礎(chǔ)上，立方星可進(jìn)行升級(jí)、擴(kuò)增。立方星是由加州理工大學(xué)和斯坦福大學(xué)于1999年提出并定義設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)，2014年《科學(xué)》雜志將立方星技術(shù)公布為年度十大科學(xué)突破之一。當(dāng)前立方星技術(shù)已在世界范圍內(nèi)獲得飛速發(fā)展，并在遙感、通訊、導(dǎo)航、科學(xué)實(shí)驗(yàn)，教育產(chǎn)業(yè)，無人機(jī)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-8]。

2016年6月25日，西北工業(yè)大學(xué)“微小衛(wèi)星技術(shù)及應(yīng)用國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室”自主研制的世界首顆12U立方星“翱翔之星”搭載“長(zhǎng)征七號(hào)”新型液體運(yùn)載火箭在海南文昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功?！鞍肯柚恰钡某晒Πl(fā)射引起了美國、俄羅斯、歐盟等相關(guān)衛(wèi)星研制機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注，標(biāo)志著翱翔系列微小衛(wèi)星的發(fā)展邁上了新的起點(diǎn)，低成本、短周期、快響應(yīng)的立方星技術(shù)迎來新的突破。自此之后，陸續(xù)有兩顆立方星“翱翔一號(hào)”和“行云試驗(yàn)一號(hào)”2U立方星成功發(fā)射?！鞍肯枰惶?hào)”是歐盟第七框架協(xié)議的旗艦項(xiàng)目QB50計(jì)劃的組網(wǎng)衛(wèi)星，西北工業(yè)大學(xué)是QB50計(jì)劃的發(fā)起單位和亞洲區(qū)總協(xié)調(diào)單位，全世界五大洲23個(gè)國家與地區(qū)參與了這個(gè)項(xiàng)目，人類首次開展對(duì)低熱層大氣的探測(cè)。QB50計(jì)劃引領(lǐng)了我國立方星技術(shù)的發(fā)展，可以說是我國立方星發(fā)射的起點(diǎn)?！靶性圃囼?yàn)一號(hào)”衛(wèi)星從任務(wù)需求提出、設(shè)計(jì)、組裝、測(cè)試、發(fā)射共用了四個(gè)月的時(shí)間，充分體現(xiàn)了立方星模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)理念的優(yōu)勢(shì)。

這三顆衛(wèi)星分別由新型液體運(yùn)載火箭“長(zhǎng)征七號(hào)”、小型固體運(yùn)載火箭“快舟一號(hào)甲”、以及美國Atlas5火箭發(fā)射升空，證明了“翱翔”系列衛(wèi)星能夠適應(yīng)各種發(fā)射環(huán)境。團(tuán)隊(duì)目前已具備較完善的立方星總體設(shè)計(jì)、部組件研制生產(chǎn)、整星組裝集成、整星測(cè)試、環(huán)境試驗(yàn)、天地模飛試驗(yàn)，以及在軌測(cè)控等條件，建成了陜西省首個(gè)高校衛(wèi)星測(cè)控地面站。

本文將系統(tǒng)介紹翱翔系列立方星的發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)立方星的發(fā)展前景提出展望。

1 翱翔系列立方星任務(wù)簡(jiǎn)介

2016年6月至2017年5月，一年內(nèi)三顆翱翔系列立方星成功部署入軌并開展預(yù)定的科學(xué)與試驗(yàn)任務(wù)。

“翱翔之星”是世界首顆12U立方星，在此次發(fā)射之前，僅有2U和3U的立方星?！鞍肯柚恰笔状伍_展了大氣層外偏振導(dǎo)航技術(shù)試驗(yàn)，首次研制并驗(yàn)證了電磁解鎖12U立方星部署器，圖1為“翱翔之星”在文昌發(fā)射基地進(jìn)行發(fā)射前測(cè)試，圖2為新聞聯(lián)播報(bào)道“翱翔之星”順利入軌。

2011年1月由西北工業(yè)大學(xué)與比利時(shí)馮·卡門流體力學(xué)研究所、歐洲航天局、德國宇航中心、美國斯坦福大學(xué)、英國薩瑞大學(xué)、英國穆拉德空間實(shí)驗(yàn)室、荷蘭代爾夫特理工大學(xué)等一起共同發(fā)起的全世界五大洲23個(gè)國家與地區(qū)參與的QB50計(jì)劃。QB50計(jì)劃是歐盟第七框架協(xié)議的旗艦項(xiàng)目，受到了歐盟以至全世界的廣泛關(guān)注和高度重視，它通過國際大學(xué)科技計(jì)劃吸引了全世界各大高校和科研機(jī)構(gòu)參與，共同發(fā)射36顆2U和3U的立方星，組成國際衛(wèi)星星座開展對(duì)低熱層大氣的科學(xué)探測(cè)。北京時(shí)間2017年4月18日23點(diǎn)11分，美國當(dāng)?shù)貢r(shí)間4月18日11點(diǎn)11分，西北工業(yè)大學(xué)自主研制的“翱翔一號(hào)”立方星作為歐盟QB50計(jì)劃首批發(fā)射入軌的28顆衛(wèi)星之一，搭載宇宙神5運(yùn)載火箭(Atlas5)/天鵝座貨運(yùn)飛船(Cygnus)在美國佛羅里達(dá)州的卡納維拉爾角空軍基地成功發(fā)射升空。衛(wèi)星隨天鵝座貨運(yùn)飛船完成與國際空間站的交會(huì)對(duì)接，并于5月26日通過國際空間站在軌釋放部署，圖3所示為宇航員在空間站拍攝的“翱翔一號(hào)”照片?！鞍肯枰惶?hào)”成為首批通過國際空間站釋放的中國衛(wèi)星，隨后成功接收了載荷數(shù)據(jù)。

2017年1月9日中午12時(shí)11分，由西北工業(yè)大學(xué)與中國航天科工集團(tuán)第四研究院第九總體設(shè)計(jì)部聯(lián)合研制的“行云試驗(yàn)一號(hào)”衛(wèi)星為2U立方星，搭載小型固體運(yùn)載火箭“快舟一號(hào)甲”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心點(diǎn)火發(fā)射，衛(wèi)星成功進(jìn)入預(yù)定軌道。

三顆立方星基本情況如表1所示。

表1 三顆立方星基本情況Table 1 Basic information of three CubeSats

2 翱翔系列立方星分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

翱翔系列立方星采用國際標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)形式，采用結(jié)構(gòu)框架加橫梁的組合方式，將立方星分割成多個(gè)1U組合的結(jié)構(gòu)形式，便于形成貨架產(chǎn)品供用戶選擇。外部包絡(luò)具有標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)型譜，便于相應(yīng)的立方星部署器的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。外部結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。同時(shí)結(jié)構(gòu)材料采用高強(qiáng)度硬鋁合金，牌號(hào)為7075-T651，具有良好的比強(qiáng)度。內(nèi)部尺寸通過定義標(biāo)準(zhǔn)CSKB(CubeSat Kit Bus)板，可以實(shí)現(xiàn)立方星內(nèi)部部組件的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化。該板卡可安裝于任意結(jié)構(gòu)立方星，并且CSKB板設(shè)計(jì)為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，具有防插錯(cuò)功能，如圖4所示。

表2 標(biāo)準(zhǔn)立方星結(jié)構(gòu)包絡(luò)型譜Table 2 Standard CubeSats structure envelope spectrum standard

“翱翔之星”是國際上首顆12U立方星，也是目前世界上成功發(fā)射最大結(jié)構(gòu)的立方星，立方星平臺(tái)采用3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)框架加48根橫梁連接的結(jié)構(gòu)形式。立方星采用體裝太陽能電池片的方式為整個(gè)衛(wèi)星供電，衛(wèi)星全部部件與載荷均安裝在內(nèi)部，保持了標(biāo)準(zhǔn)12U立方星的外形，如圖5所示。

“行云試驗(yàn)一號(hào)”(XYS-1)是一顆2U立方星，立方星平臺(tái)采用2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)框架加8根橫梁的結(jié)構(gòu)形式，立方星平臺(tái)采用體裝太陽能電池片的方式為整個(gè)衛(wèi)星供電。“XYS-1”載荷為L(zhǎng)波段短報(bào)文通訊系統(tǒng)，安裝于立方星平臺(tái)外部，整體長(zhǎng)度較標(biāo)準(zhǔn)2U立方星有所增加，如圖6(a)所示。

“翱翔一號(hào)”是一顆2U立方星，立方星平臺(tái)采用2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)框架加8根橫梁的結(jié)構(gòu)形式，立方星平臺(tái)采用體裝太陽能電池片的方式為整個(gè)衛(wèi)星供電?！鞍肯枰惶?hào)”載荷為低熱層大氣探測(cè)科學(xué)單元，載荷安裝于立方星平臺(tái)外部，整體長(zhǎng)度較標(biāo)準(zhǔn)2U立方星框架有所增加，增加部分為載荷高度，如圖6(b)所示。

立方星由于結(jié)構(gòu)體積小，主要采用被動(dòng)熱控的方式，將聚烯亞胺材料多層隔熱材料置于太陽能電池板與立方星本體框架之間。在電池等部位配置加熱片進(jìn)行局部主動(dòng)熱控。

2.2 姿態(tài)控制系統(tǒng)

立方星姿態(tài)控制系統(tǒng)的主要任務(wù)包括消除初始入軌角速度，并保持載荷工作期間需要的姿態(tài)。

翱翔系列立方星使用的敏感器主要包括陀螺、磁強(qiáng)計(jì)、太陽敏感器、GPS接收機(jī)，使用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括磁力矩器、飛輪。衛(wèi)星控制資源有限，執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出受限，如何保證衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定達(dá)到任務(wù)需求成為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。另外，衛(wèi)星在軌獲得的能源有限，難以滿足衛(wèi)星控制系統(tǒng)部組件以及載荷長(zhǎng)期同時(shí)工作，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)與載荷工作模式成為衛(wèi)星自主運(yùn)行設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。

翱翔系列立方星將立方星在軌控制模式、能源管理、載荷調(diào)度進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，在控制模式設(shè)計(jì)中融入能源實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及控制部件、載荷綜合調(diào)度使用策略。立方星控制、能源、載荷綜合管理模式如圖7所示。衛(wèi)星控制包括初始檢測(cè)、消旋、粗定姿、對(duì)地定向、安全等待、充電恢復(fù)等主要控制模式。在自主控制的同時(shí)，進(jìn)行能源監(jiān)測(cè)管理、載荷任務(wù)調(diào)度以及各部組件的狀態(tài)檢測(cè)。系統(tǒng)根據(jù)部件、能源狀態(tài)自主進(jìn)行控制模式、載荷任務(wù)的調(diào)度管理，在基本不依賴地面指令的條件下實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星在軌自主控制與能源平衡、載荷管理的協(xié)調(diào)、高效運(yùn)行。

根據(jù)衛(wèi)星實(shí)際飛行數(shù)據(jù)，在目前衛(wèi)星控制系統(tǒng)配置的情況下，消旋控制末期角速度控制精度小于0.3°/s；對(duì)地定向階段姿態(tài)控制精度1°,角速度控制精度0.1°/s。

2.2.1飛輪

針對(duì)納衛(wèi)星的任務(wù)需求，設(shè)計(jì)了一種基于商用貨架(Commercial off the shelf, COTS)器件、模塊化的低成本反作用飛輪。

采用非密閉式結(jié)構(gòu)，無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪緣式輪盤；控制器采用積分分離控制算法，基于超低功耗處理器捕獲霍爾信號(hào)測(cè)速，驅(qū)動(dòng)MOSFET橋換相。所研制飛輪基本參數(shù)：重量63 g，尺寸36 mm×36 mm×28 mm，最大轉(zhuǎn)速9000 rpm，最大角動(dòng)量≥5.5 mN·ms，輸出力矩為≥0.2 mN·m，功耗≤0.5 W。

2016年6月25日，由三個(gè)單軸飛輪組成的三軸飛輪組件隨“翱翔之星”發(fā)射入軌，并且在后續(xù)兩顆2U立方星上使用，運(yùn)行狀況良好。至今已在國內(nèi)外十顆衛(wèi)星以上在軌得到應(yīng)用，最長(zhǎng)在軌運(yùn)行時(shí)間已達(dá)三年。

2.2.2磁力矩器

磁力矩器作為重要的衛(wèi)星姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由于其結(jié)構(gòu)輕便、成本低、功耗小等優(yōu)勢(shì)，在地磁場(chǎng)強(qiáng)度較強(qiáng)的近地軌道衛(wèi)星上應(yīng)用十分廣泛[1-3]。它依靠控制線圈中電流的大小和方向來產(chǎn)生相應(yīng)的磁矩，產(chǎn)生的磁矩與地磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生控制衛(wèi)星姿態(tài)的磁力矩。

根據(jù)是否含有磁介質(zhì)，磁力矩器可分為帶磁芯的磁力矩器[4]與空芯磁力矩器兩大類[5]。根據(jù)立方星內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將兩根帶磁芯的磁棒器與一個(gè)空芯線圈結(jié)合，形成三軸磁力矩器組件，如圖9所示。輸出磁矩≥0.2 Am2，功耗≤0.7 W。其中帶磁芯的磁力矩器還可作為模擬式單軸磁力矩器使用。

三軸磁力矩器已經(jīng)在“翱翔之星”等5顆立方星上獲得了在軌驗(yàn)證與使用，運(yùn)行狀況良好，在軌運(yùn)行時(shí)間超過三年。

2.3 電源系統(tǒng)

電源系統(tǒng)是衛(wèi)星進(jìn)行能量收集、轉(zhuǎn)換、存貯和分配的子系統(tǒng)，對(duì)衛(wèi)星任務(wù)的完成具有十分關(guān)鍵的作用。立方星的典型特點(diǎn)使得其電源系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)更小的體積、更高的效率、更通用的接口、更多的智能和更低的成本，因此在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)思想上與傳統(tǒng)衛(wèi)星都有較大區(qū)別。翱翔系列立方星電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖10所示，由太陽電池板、電源控制器和蓄電池組成，其中電源控制器以高集成度的單板結(jié)構(gòu)集成了能源轉(zhuǎn)換、充放電管理、二次電壓轉(zhuǎn)換、功率分配、監(jiān)控保護(hù)和總線等單元。

立方星電源系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在電源控制器上，主要包括：1) 基于MPPT技術(shù)的高效率電源系統(tǒng)能源轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)技術(shù)；2) 高集成度的電源控制器實(shí)現(xiàn)技術(shù)，將能量轉(zhuǎn)換、充放電管理、二次電壓轉(zhuǎn)換、功率分配與保護(hù)甚至蓄電池等集成在單板結(jié)構(gòu)上；3) 標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)方法以及功率靈巧擴(kuò)充與配置技術(shù)；4) 基于COTS器件的高可靠系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及智能化容錯(cuò)控制技術(shù)。翱翔系列衛(wèi)星通過對(duì)以上電源系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究，形成四款電源控制器產(chǎn)品，如表3所示。

“翱翔之星”采用了標(biāo)準(zhǔn)II型電源控制器，另兩顆2U立方星均采用了標(biāo)準(zhǔn)I型電源控制器，控制器照片如圖11所示。

2.4 星載計(jì)算機(jī)

星載計(jì)算機(jī)(On board computer, OBC)采用一體化方案，同時(shí)實(shí)現(xiàn)指令與數(shù)據(jù)管理、姿態(tài)控制和海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，參數(shù)如表4所示。硬件系統(tǒng)基于貨架產(chǎn)品器件，采用雙異構(gòu)處理器“雙機(jī)互補(bǔ)+雙核互?！钡娜蒎e(cuò)架構(gòu)，通過非相似技術(shù)來避免共性故障發(fā)生。2016年第一次入軌至今已在3顆衛(wèi)星得到應(yīng)用，運(yùn)行狀態(tài)良好。

型號(hào)母線電壓外部接口典型特點(diǎn)適用范圍標(biāo)準(zhǔn)I型8.4 VPC104插座升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)三通道太陽能輸入5 V、3.3 V、電池電壓輸I2C總線18650鋰電池組標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)無展開太陽板1U、2U立方星標(biāo)準(zhǔn)II型8.4 VPC104插座降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)三通道太陽能輸入5 V、3.3 V、電池電壓輸出I2C總線18650鋰電池組標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)無展開太陽板3U～12U立方星擴(kuò)展II型-a8.4 VPC104插座+擴(kuò)展插座降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)3～10通道太陽能輸入5V、3.3V、12V、電池電壓輸出I2C、CAN總線18650鋰電池組帶展開太陽板的3U～12U立方星擴(kuò)展II型-b16.8 VPC104插座+擴(kuò)展插座降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)3～10通道太陽能輸入5 V、3.3 V、12 V、電池電壓輸出I2C、CAN總線18650鋰電池組帶展開太陽板的12U～36U立方星

2.5 通信與測(cè)控

翱翔系列立方星的通信與測(cè)控系統(tǒng)主要使用UHF/VHF業(yè)余無線電頻段，具體包括星上通信系統(tǒng)以及地面站系統(tǒng)。

1) 星上通信系統(tǒng)

翱翔系列立方星星上通信系統(tǒng)包括UHF/VHF射頻收發(fā)機(jī)以及可展開天線。星載計(jì)算機(jī)控制射頻收發(fā)機(jī)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。其中VHF頻段用于指令上行，UHF頻段用于下行遙測(cè)數(shù)據(jù)以及科學(xué)數(shù)據(jù)。收發(fā)機(jī)與可展開天線的實(shí)物圖如圖13所示。

2) 地面站

翱翔系列立方星均由西北工業(yè)大學(xué)地面站自主進(jìn)行測(cè)控。該地面站于2016年4月全面建成，是陜西省高校中的首個(gè)地面站，主要基于UHF/VHF頻段進(jìn)行衛(wèi)星測(cè)控。圖14為地面站的外觀與內(nèi)部圖。

表4 OBC基本參數(shù)Table 4 OBC basic parameters

2.6 檢測(cè)系統(tǒng)

衛(wèi)星檢測(cè)是在統(tǒng)一配電條件下，對(duì)衛(wèi)星規(guī)定的電性能和功能進(jìn)行全面的檢測(cè)，對(duì)各分系統(tǒng)之間的匹配性和彼此的兼容性進(jìn)行綜合檢查。傳統(tǒng)衛(wèi)星檢測(cè)技術(shù)是通過構(gòu)建復(fù)雜的檢測(cè)平臺(tái)，包括專用工業(yè)檢測(cè)計(jì)算機(jī)、功率計(jì)、頻譜儀等不同功能檢測(cè)設(shè)備，通過檢測(cè)線纜與衛(wèi)星相連，來形成一個(gè)完整的檢測(cè)系統(tǒng)。檢測(cè)過程需要逐步對(duì)每個(gè)星上設(shè)備、部件開展檢測(cè)，進(jìn)而完成整星檢測(cè)。整個(gè)檢測(cè)過程繁瑣復(fù)雜，需要花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)。當(dāng)衛(wèi)星星上設(shè)備變化，電氣、機(jī)械接口變化時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)需要重新研發(fā)，通用性差，增加了衛(wèi)星的研發(fā)成本。

為實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星快速檢測(cè)，基于立方星標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的特點(diǎn)，提出了一種利用星載模塊化部件進(jìn)行自主測(cè)量、檢測(cè)、試驗(yàn)和診斷的快速檢測(cè)技術(shù)。以星上內(nèi)部檢測(cè)為主，充分發(fā)揮星載系統(tǒng)的資源，特別是星載計(jì)算機(jī)，利用軟件模塊化設(shè)計(jì)使得檢測(cè)過程能夠按照檢測(cè)流程自主進(jìn)行，能夠智能化診斷檢測(cè)過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤或異常。大大縮減了檢測(cè)時(shí)間，簡(jiǎn)化了檢測(cè)過程，減少檢測(cè)人員和物力，從而提高了衛(wèi)星發(fā)射的靈活性和適應(yīng)性，突破了立方星大批量生產(chǎn)和群星快速發(fā)射的瓶頸。自主檢測(cè)技術(shù)還根據(jù)研發(fā)階段不同，支持單機(jī)級(jí)檢測(cè)、單系統(tǒng)級(jí)檢測(cè)、桌面聯(lián)調(diào)檢測(cè)、總裝后檢測(cè)、模擬飛行檢測(cè)以及發(fā)射場(chǎng)檢測(cè)等六個(gè)階段檢測(cè)。

2.7 部署器

“翱翔之星”立方星星箭分離機(jī)構(gòu)作為世界首臺(tái)12U立方星電磁解鎖部署器，搭載CZ-7液體火箭首飛成功?？蝮w結(jié)構(gòu)如圖15(a)所示，通過8個(gè)M8高強(qiáng)螺釘與運(yùn)載火箭箭體安裝支架剛性連接。外形主體為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部安裝四個(gè)L型直線導(dǎo)軌，用于運(yùn)輸與發(fā)射過程中12U立方星的支撐以及分離過程中立方星的導(dǎo)向?？蝮w前端為艙門，艙門下端通過轉(zhuǎn)軸鉸鏈與框體主體相連，上端通過電磁鐵鎖緊艙門；框體后端安裝圓柱螺旋彈簧作為立方星分離儲(chǔ)能元件，分離彈簧與立方星推板固連，通過推板推動(dòng)立方星移動(dòng)。

星箭發(fā)射入軌后，收到箭體星箭分離信號(hào)后，電磁鐵通電完成艙門的解鎖，立方星在分離彈簧的作用下沿L型直線導(dǎo)軌滑出，并推動(dòng)艙門轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)艙門打開至一定角度后，通過定位彈簧銷軸完成艙門的鎖定，限制艙門的晃動(dòng)，防止艙門回彈與立方星發(fā)生干涉碰撞。

分離監(jiān)測(cè)開關(guān)安裝在分離機(jī)構(gòu)框體后端，與衛(wèi)星推板單向接觸。當(dāng)艙門打開，分離彈簧作用下推板向前移動(dòng)，分離測(cè)試開關(guān)與推板分離，給出星箭分離信號(hào)，并通過箭體遙測(cè)數(shù)據(jù)下傳給地面。

“XYS-1”立方星星箭分離機(jī)構(gòu)作為國內(nèi)首臺(tái)雙余度電磁解鎖部署器，搭載KZ-1A固體火箭于2017年1月9日首飛成功。該2U立方星部署器與“翱翔之星”12U立方星部署器主體結(jié)構(gòu)形式基本相同，體積適用于2U立方星。有兩處不同：一是采用雙余度電磁解鎖方式提高立方星解鎖分離的可靠性，二是星箭分離監(jiān)測(cè)開關(guān)也采用雙余度的方式，安裝于L型直線導(dǎo)軌前部，待立方星與分離機(jī)構(gòu)徹底分開后給出星箭分離信號(hào)。整體結(jié)構(gòu)如圖15(b)所示。

3 偏振敏感器載荷

“翱翔之星”的主科學(xué)任務(wù)是地球大氣層外光學(xué)偏振模式測(cè)量。偏振光導(dǎo)航是近些年來逐步發(fā)展起來的一種新型仿生導(dǎo)航技術(shù)。自1811年天空偏振現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以來，人們對(duì)大氣偏振理論的研究逐步完善。在大氣偏振理論的研究過程中，人們相繼發(fā)現(xiàn)許多昆蟲和鳥類等自然界生物都能利用天空偏振光進(jìn)行導(dǎo)航定位。

近些年來，國內(nèi)外學(xué)者就如何利用大氣光學(xué)偏振模式來進(jìn)行機(jī)器人和飛行器的導(dǎo)航開展了大量的研究工作，這些研究工作主要集中在大氣層外。西北工業(yè)大學(xué)提出了利用大氣層外偏振模式進(jìn)行衛(wèi)星自主導(dǎo)航。然而，在大氣層外偏振導(dǎo)航，需要了解太陽光線經(jīng)過地球大氣分子散射后形成的偏振模式圖是否依然遵循瑞利散射假設(shè)，要清楚地表示背景、云層、氣溶膠等對(duì)大氣層外偏振模式的影響規(guī)律。因此，有必要開展大氣層外偏振模式實(shí)際測(cè)量，從而揭示大氣層外偏振模式的分布規(guī)律和主要影響因素。“翱翔之星”首次開展了地球大氣層外光學(xué)偏振模式探測(cè)。

通過在軌數(shù)據(jù)測(cè)量，表明了從大氣層外觀測(cè)地球表面，依然有比較明顯的瑞利散射。

4 “翱翔”系列立方星展望

目前西北工大學(xué)“翱翔”立方星團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行的應(yīng)用項(xiàng)目主要有下述4個(gè)。

1) 一箭多星部署器，立方星采用國際通用標(biāo)準(zhǔn)的盒式分離機(jī)構(gòu)，與立方星本體和火箭適配器之間配合接口簡(jiǎn)單，最容易實(shí)現(xiàn)多星分離標(biāo)準(zhǔn)化和系列化。通過定義接口標(biāo)準(zhǔn)，分層布局，可以實(shí)現(xiàn)一箭多星分離，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)可拓展。通過增加分離時(shí)序控制器，實(shí)現(xiàn)一箭多星分離任務(wù)可編程。遵循“簡(jiǎn)單即可靠”的原則，研制星箭分離機(jī)構(gòu)功能部組件，組成標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化立方星星箭分離機(jī)構(gòu)。可以大幅降低星箭分離機(jī)構(gòu)的質(zhì)量，進(jìn)而降低發(fā)射成本，并且能夠?qū)崿F(xiàn)部組件的共用，實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。

2) 立方星星座深空探索計(jì)劃，深空探索已經(jīng)成為國際研究的熱點(diǎn)，美國、日本以及歐洲都陸續(xù)啟動(dòng)了一系列基于微小衛(wèi)星的深空探測(cè)任務(wù)，其中最具代表性的是歐盟QB50項(xiàng)目，產(chǎn)生了巨大的國際影響。2018年11月19日-20日，首屆中國微小衛(wèi)星大會(huì)在西北工業(yè)大學(xué)舉辦，西北工業(yè)大學(xué)計(jì)劃發(fā)起立方星星座深空探索計(jì)劃，用6～8顆6U～12U立方星，在奔赴小行星的各個(gè)階段分離部署，組成星座，開展國際深空探測(cè)和小行星探測(cè)任務(wù)。

3) 西安一號(hào)A/B星，是“陜西一號(hào)”低軌遙感星座的先導(dǎo)星，采用16U、20U立方星平臺(tái)，用于環(huán)境及大氣污染監(jiān)測(cè)?！瓣兾饕惶?hào)”星座一期計(jì)劃發(fā)射72顆立方星，可實(shí)現(xiàn)對(duì)陜西境內(nèi)和一帶一路沿線國家的全面覆蓋監(jiān)測(cè)。

4) “澳門科學(xué)一號(hào)”衛(wèi)星項(xiàng)目，西北工業(yè)大學(xué)與澳門科技大學(xué)聯(lián)合研制的1顆48U柔性設(shè)計(jì)模塊組裝式微小衛(wèi)星，首次利用近赤道軌道低軌衛(wèi)星對(duì)南大西洋磁異常區(qū)進(jìn)行探測(cè)；充分發(fā)揮立方星成本低、研制周期短、測(cè)試快速、發(fā)射靈活的特點(diǎn)，利用70～80 kg微小衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)5年高精度長(zhǎng)壽命地磁測(cè)量。

目前立方星的應(yīng)用特點(diǎn)主要是成本低、體積小、質(zhì)量輕，由于小行星探測(cè)、地磁探測(cè)等應(yīng)用的發(fā)展需求，將對(duì)立方星平臺(tái)提出更高的要求，未來立方星將不僅僅限于低精度短壽命的任務(wù)，在保持研制周期與成本優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，基于立方星標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系列化的特點(diǎn)，探索柔性、高精度、長(zhǎng)壽命等方面實(shí)現(xiàn)突破。另外，在軌組裝，編隊(duì)飛行，一箭多星等仍將是立方星研究的熱點(diǎn)。

5 結(jié)束語

立方星作為模塊化研制生產(chǎn)的微納衛(wèi)星，其研制周期短，成本低廉，通過組網(wǎng)方式，可以對(duì)大衛(wèi)星在遙感、通信、科研、教育等方面應(yīng)用的不足進(jìn)行補(bǔ)充，網(wǎng)絡(luò)機(jī)動(dòng)靈活、具備多任務(wù)能力，在重點(diǎn)目標(biāo)凝視時(shí)間、重訪時(shí)間、重訪頻率方面擁有大衛(wèi)星無法比擬的優(yōu)勢(shì)。

西北工業(yè)大學(xué)“翱翔”系列立方星研制團(tuán)隊(duì)將在已有12U、2U等立方星的基礎(chǔ)上，在結(jié)構(gòu)規(guī)模、控制精度、工作壽命、數(shù)據(jù)傳輸能力、軌道控制能力等方面提升立方星性能，并且推進(jìn)立方星在科學(xué)技術(shù)驗(yàn)證、深空探測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、災(zāi)害評(píng)估、城市建設(shè)等領(lǐng)域的快速應(yīng)用，在推動(dòng)航天產(chǎn)業(yè)化和航天創(chuàng)新教育方面發(fā)揮更大的推動(dòng)和促進(jìn)作用。