立方體衛星研制中的顛覆性創新

林來興 （北京控制工程研究所）

立方體衛星研制中的顛覆性創新

Disruptive Innovation in the Development of CubeS at

林來興 （北京控制工程研究所）

在我國“十三五”規劃中明確了，“大眾創業，萬眾創新”是我國國民經濟持續發展的新引擎。創新有兩種：顛覆性創新和漸進性創新，顛覆性創新是最高層次。當今對顛覆性創新的出現與發展可能還有些人不甚了解，特別是在航天領域。為此，本文將以最不引人注意的立方體衛星(CubeSat)為例，來論證它是一個名副其實的顛覆性創新。

1 顛覆性創新概念

顛覆性創新是美國哈佛商學院克萊頓·克里斯坦森（Clayton Christenson）教授創造的一個術語，描述了一種產品或服務最初在低端市場的簡單應用程序中的扎根過程，然后無情向上推進市場，最后取代已有的競爭對手。換句話說就是把一個貴重物品做得很便宜，把原來一個很難獲得的東西變得容易獲得，把原來一個很難用的東西變成非常容易使用。這完全符合一切工程技術和科學與藝術，其發展的最終目標是追求簡單性和完善性的規律。例如：個人計算機顛覆主機計算機行業，智能手機繼續不斷顛覆計算機、數碼相機等。

顛覆性技術由低端一直向上發展，最終滿足甚至還超過最為苛刻的用戶的要求。顛覆性創新應包括技術和管理兩部分。特別要注意的是，要有滿足顛覆性創新技術的組織管理，若沒有組織管理，顛覆性創新技術也會夭折，因為顛覆性技術創新是一個過程，短的也要幾年時間。概括起來顛覆性創新有以下幾個特征：

1) 非競爭性。是指顛覆性創新并不是與現有主流市場競爭者爭奪用戶，而是通過滿足新的現有主流產品的“非消費者”來求得生存與發展。

2) 初始階段的低端性。這種低端性才使得它被現有主流市場的競爭者所忽略，避開與現有高端市場的激烈競爭，從而成長壯大。

3) 簡便性。這令使用者變得更為廣泛，從而使產品的價格更加低廉，讓更多人能夠用得起，為此創造良好的市場條件，不至于過早夭折。

4) 應用價值導向性。投資成本低，應用效果日益增長。這表明顛覆性創新的價值所在，缺少這一點，顛覆性創新就失去了存在的價值。

2 立方體衛星的概念與技術發展

在小衛星中最小的兩個種類分別為：納衛星，質量為1～10kg；皮衛星，質量為0.1～1kg。有些人認為這樣小的衛星用處不大，沒有研究價值。納衛星也只做些空間簡單試驗，皮衛星幾乎僅作物理概念存在，20世紀發射數量極少。但美國斯坦福大學湯姆·肯尼（Tom Kenny）教授根據該校多年對納衛星研究積累的經驗，在1999年對納衛星提出了新的概念，即質量為1kg，結構尺寸為10cm×10cm×10cm的正方體。

立方體衛星從概念產生至今已有十幾年了，技術得到極大發展。正像顛覆性創新發展過程一樣，這個過程大致可以分成為低端、中端和高端用戶提供產品這3個階段。

概念深化與研究階段—為低端用戶提供產品

立方體衛星概念出現以后，首先得到全世界大學和部分研究機構的擁戴，并積極參與開發和研究。從立方體衛星概念產生至2003年，據初步估計，全球最少有60～70個大學和研究機構，包括美國波恩公司空間研究中心、美國國家航空航天局（NASA）艾姆斯研究中心（Ames）等，都加入到立方體衛星研究開發行列當中。特別是在美國大學，立方體衛星已成為影響最大的小衛星研究項目。國際上對立方體衛星的研究逐漸形成一個熱潮。并開始進入低端市場，以成本低、研制周期短、具有一定空間應用價值的產品為用戶服務。

2003年6月30日，世界首批立方體衛星成功發射，這批立方體衛星共有6顆，它們包括：日本2顆，丹麥2顆，加拿大1顆，這5顆衛星的質量皆為1kg；美國1顆地震研究衛星，質量為4kg。

2003－2009年，各國相繼發射70多顆立方體衛星，它們的共同特點是費用低，僅需要幾萬到十幾萬美元，相比而言，當時一顆常規衛星至少需要2～3億美元，兩者相差3～4個數量級，而且研制周期縮短5～6倍。雖然技術水平和應用價值較低，但也有一定的空間應用價值。這正是顛覆性創新初期的特點。

空間演示和應用階段—為中端用戶提供產品

2010－2013年已經進入為中端用戶提供產品階段。也就是立方體衛星技術水平和應用價值有很大提高，個別產品開始接近現有中小型衛星水平。經費少，研制周期短仍然是這個階段的特點。在這4年間全世界發射立方體衛星大約170顆。下面列出其中2顆典型實例：“生命體/有機物暴露在軌實驗”衛星和“美國觀測空間碎片望遠鏡”衛星。

立方體衛星爆炸式增長—為高端用戶提供產品

2014－2017年，立方體納衛星已經開始進入為高端用戶提供衛星產品階段，也可以說，它代表了立方體衛星當前的發展技術水平和應用價值。這個階段，立方體納衛星發射量劇增，每年平均發射量約為190顆，超過全世界總發射量的一半。其技術水平已經和當前衛星技術相當，有些應用領域達到現有單顆衛星難以達到的程度，比如時間分辨率。另外，仍然保持著經費投資少，研制周期短的優勢。

上面3個發展階段充分說明，立方體衛星完全符合顛覆性創新應具有的性質和特征。從2003年第一批立方體衛星發射成功到2015年，其間發射立方體衛星共有425顆，這些衛星分布在各個應用領域，對地觀測和空間技術試驗兩項占2/3左右。這里所指技術試驗不僅包括新技術空間試驗，更多是大型星座應用試驗，其衛星技術已經比較成熟。在這發射的425顆衛星中，美國占76%，其他國家僅占24%。

3 立方體衛星發展前景—研制最苛刻用戶要求的產品

從顛覆性創新概念和發展過程得知，今后立方體衛星已處在顛覆性創新的最高位置，這也是立方體衛星今后的發展方向，研制最苛刻用戶要求的產品。為了便于討論，從下列幾個方面來說明。

立方體衛星組合形式

立方體衛星已經不是以前簡單的2～3U組合，已經有下列組合形式：

1）眾多基本單元（U）組合。目前已有27U的組合形式，今后可能發展30～40U的大型組合，衛星質量估計在50kg以下；

2）幾個基本單元（3～6U）作為基本組合主體，外面設有可展開式機構。太陽電池翼和多種形式天線，這些可展開設備仍然作衛星平臺組成部分；目前已做成大型可折疊柔性太陽電池翼，面積在幾十平方米以上，可發電幾百瓦以上。

今后5年立方體衛星發射量預測

立方體衛星從2012年起每年發射量都在增加，2013年和2014年的發射量劇增，今后立方體衛星年度發射量仍保持增長趨勢。

根據美國Space Works咨詢公司在2016年初的市場預測，統計出1～50kg微小衛星每年發射量。市場預測的發射量會有些波動，衛星具體發射量常有變化，因為預測中很多項目都是大型星座，少則幾十顆衛星，多則上百顆。但是，衛星發射量日益增加的態勢是肯定的。預測1～50kg微小衛星發射量在未來幾年可能占全球航天器發射量的2/3左右。這種微小衛星功能密度很高，成本低，研制周期短，將有可能取代相當一部分傳統中小衛星，但是它不可能也不會取代大型衛星。

大型納衛星編隊飛行

大型納衛星編隊飛行可以認為是最苛刻要求的空間產品，這里列出兩項正在設計研究階段的星群。

（1) “硅片集成飛衛星” (SWIFT) 星群計劃

SWIFT衛星（100g）組成大型星群任務由美國國防高級研究計劃局（DARPA）資助，NASA噴氣推進實驗室(JPL)等單位負責研制。采用眾多飛衛星（FemtoSat，質量為10～100g）組成星群，在地球低軌道飛行。該任務的研究目的是由星群組成稀疏孔徑陣列和空間分布式敏感器網絡。星群在軌道要形成三維編隊飛行。另外星上裝有通信系統、三軸姿態和位置敏感器、電源分系統、微型反作用輪和一套微小型肼推進系統。數字微推力系統總功率1.6W，總質量95.5g。小型熱氣肼系統總功率1.7W，總質量104.7g。

微小衛星（1～50kg）今后5年發射量 顆

在軌道飛行實驗中，要求保持編隊飛行隊形持續時間能達到100～1000s。是否能夠成功尚需空間演示驗證。

（2) “自主納衛星技術星群”（ANTS）任務體系結構

在太陽系中，火星軌道與木星軌道之間存在一條小行星帶，約有50多萬顆小行星。體積大小差異很大，最大的直徑有上千千米。過去很長歷史時期，由于缺乏有效的觀測手段，探測小行星帶的收獲很小。為此，NASA計劃在2025－2030年在小行星帶建立一個“自主納衛星技術星群”探測體系，從而可以長期探測小行星帶。這個星群設想由1000顆納衛星組成，每顆衛星質量為幾千克。它們分批由火箭發射在太陽與木星間的拉格朗日點上，然后擇機進入小行星帶，組成星群。

這些立方體衛星在飛行軌道上組成各種功能模塊。所謂星群是類似于被動編隊飛行，它依靠一種仿自然界昆蟲的組織方式，例如螞蟻覓食、蜜蜂筑巢行為的人工智能方法，使星群內所有納衛星可以自主保持松散隊形，也就是說不會發生某些衛星走失情況，而且不消耗燃料。這項飛行任務目前還處在研究和方案設計階段。

空間飛行試驗任務技術指標如下：任務壽命5～10年，軌道距地球1～3.5天文單位，納衛星質量約為1kg，星上功率100～300mW，姿態三軸穩定。

應用3D打印技術研制立方體衛星

俄羅斯聯邦航天局和NASA都在積極研究應用3D打印技術研制立方體衛星。該方法目前有兩種類型：第一種類型是用3D打印機制造立方體衛星結構，然后把立方體衛星有關部件組裝進去，這些都在地面上進行，最后送到空間站或者載人飛船，由航天員送入太空。對于這種類型，2016年3月31日，俄羅斯的4顆由6U立方體衛星已經由進步MS－2（Progress MS－2）貨運飛船成功送到“國際空間站”。

第二種類型是美國NASA目前正在研究的，方法是把3D打印機、材料和有關部件（模塊化）一起送入空間站，目前計劃由航天員或者空間機器人在空間站組裝，最后由空間站專門通道把立方體衛星送入太空（2015年已經有多顆“鴿群”立方體衛星通過這種釋放方式部署）。將來有可能在空間站建立立方體衛星組裝流水線。

4 結束語

立方體衛星是一個典型的顛覆性創新。當前立方體衛星正在步入顛覆性創新的最高位置，研制最苛刻用戶要求的空間產品。今后，立方體衛星的發展將引發空間技術的一場革新。