QB50項目成功發射，航天國際合作再立典范

何慧東 李炤坤 張召才 （北京空間科技信息研究所）

QB50項目成功發射，航天國際合作再立典范

何慧東 李炤坤 張召才 （北京空間科技信息研究所）

QB50 Project Successfully Launched, and Become a Model for International Coorperation in Space

1 項目基本情況

QB50項目是歐盟2011年主導發起的國際合作項目，將對200～380km高度的地球大氣低熱層開展多點原位探測，系統原計劃由約50顆立方體衛星組成星座，實際規劃發射了2顆技術試驗衛星和36顆科學探測衛星。QB50項目主要目標是促進進入空間能力發展、開展大氣低熱層科學探測、驗證新型航天技術、實現廣泛航天工程教育。

比利時馮·卡門流體力學研究所（VKI）負責QB50項目總體協調，國際15家機構合作開展了任務定義與實施保障、科學載荷、地面段、空間段、發射段等活動，來自23個國家的40余所大學、研究機構和公司參與衛星研制工作。QB50項目總成本1176萬歐元，其中歐盟“第七研究和技術開發框架計劃”（FP7）資助800萬歐元。

QB50項目參與機構和職責

2 項目發射和衛星情況

QB50項目發射計劃一波三折，進度被迫推遲。項目最初計劃使用旋風－4（Cyclone－4）運載火箭一次發射50顆衛星，受到克里米亞危機以及巴西方面資金和技術問題等多重因素的影響，旋風－4火箭發射計劃最終取消。QB50項目團隊與國際發射服務提供商廣泛接觸，歷經多次部署方案變更，最終確定從“國際空間站”在軌釋放和運載火箭搭載發射的分批次部署方案。2014年6月19日，利用“第聶伯”（Dnepr）火箭發射2顆QB50技術試驗立方體衛星；2017年4月18日，進行首次QB50科學衛星發射，28顆QB50衛星搭乘“天鵝座”貨運飛船進入“國際空間站”，并陸續釋放入軌；2017年6月23日，進行第2次QB50科學衛星發射，8顆QB50衛星釋放進入高505km、傾角97.1°的太陽同步軌道。

QB50項目發射的38顆衛星中，2顆開展項目先導試驗，對項目可行性和有效載荷進行了驗證；10顆攜帶“離子和中性質譜儀”，用于測量離子和中性粒子；14顆攜帶“原子氧通量探測器”，用于測量低熱層氧原子和氧分子的分布；10顆攜帶“多針朗繆探針”，用于測量低熱層等離子體的電子溫度、密度等重要信息；2顆攜帶離軌裝置，在軌演示“阻力帆”離軌技術。

演示“阻力帆”離軌技術的QB50衛星分別是“阻力帆-立方體衛星”（DragSail-CubeSat）和“充氣帆”（InflateSail）衛星。“阻力帆-立方體衛星”驗證再入大氣過程中的“阻力帆”離軌技術，并測試可展開薄膜太陽電池技術；“充氣帆”衛星開展基于冷氣發生器在軌充氣剛化技術和“阻力帆”技術的離軌試驗，測試該技術未來應用于低軌衛星加速離軌的可行性。

QB50有效載荷：“離子和中性質譜儀”（左）、“原子氧通量探測器”（中）、“多針朗繆探針”（右）

“阻力帆-立方體衛星”示意圖

“充氣帆”衛星示意圖

3 任務分析

航天國際合作模式不斷豐富，項目組織管理頗具特色

QB50項目打造了航天國際合作的新典范，在國際合作的模式、廣度方面較其他國際合作航天項目均有所拓展。合作模式方面，采取一方主導、多方參與的機制，歐盟作為主導方負責提供部分經費支持，參與方分組分類，各司其職，分別完成任務定義與執行支持、科學載荷研發、衛星總裝集成、科學數據處理等任務。合作廣度方面，參與國家多，20余個國家參與了QB50項目；涵蓋主體全，包括高校、科研機構與商業公司等。為避免廣泛國際合作帶來的協調不暢、進度拖延問題，QB50項目采用集中管理、分散實施的方式，構建了由1個抓總單位、15個合作領導單位和40余個衛星研制單位組成的三級組織架構，定期討論，及時溝通，視實際情況適度調整執行方案，確保任務總體推進。

QB50項目衛星

測試中的印度極軌衛星運載火箭-XL

開辟空間科學應用新方向，打造大學工程教育新模式

微納衛星作為低成本利用空間的重要手段，已經在空間科學研究、大學工程教育方面獲得了廣泛的應用。QB50項目通過模式創新，采用衛星研制全球多點并行、衛星部署多星集中發射的方式，一舉開辟了微納衛星空間科學應用的新方向，打造了微納衛星大學工程教育的新模式。在空間科學方面，QB50項目實現了對地球大氣低熱層進行低成本、長時間、多點原位探測，獲得的低熱層數據能夠進一步完善大氣模型，具有重要的科學價值；在工程教育方面，QB50項目改變了以往微納衛星工程教育項目小范圍、淺合作的模式，面向全球大學招募合作伙伴，提供統一的標準載荷套件，在一致化框架下開展深度合作，實現了廣泛航天工程教育的任務目標。

聚焦低成本發射技術，研制的釋放裝置已獲成功應用

“一箭多星”、搭載發射、空間站釋放等低成本進入空間技術的發展，是微納衛星大規模應用的前提。從項目執行過程看，QB50項目既是低成本進入空間技術的“受益者”也是“貢獻者”。一方面，QB50項目分別利用“國際空間站”在軌釋放和“第聶伯”、“極軌衛星運載火箭”搭載發射的方式完成星座分批次部署，顯著降低了項目發射成本。另一方面，QB50在立項之初即將低成本進入空間技術視作任務目標之一，成功研制了微納衛星在軌釋放裝置，由荷蘭航天創新解決方案公司研制的“四聯裝”（QuadPack）立方體衛星部署器與世界現役主流運載火箭的接口兼容，已多次在“一箭多星”發射中得到成功應用。2017年2月15日，印度“一箭104星”發射任務使用了25套“四聯裝”部署器，2017年6月執行的QB50項目發射任務也使用了“四聯裝”部署器。

充分考慮空間安全問題，演示驗證衛星離軌技術

國際社會日益關注空間碎片減緩和空間安全問題，大型星座計劃的提出、發射與在軌運行均會引發各界高度關注。歐盟在主導實施QB50項目時對此高度重視，預先充分分析論證，提前制定嚴格規范、采取實際操作措施，降低大量立方體衛星發射入軌導致的空間碰撞風險和空間碎片問題。QB50項目在任務初期就開展了專門的衛星編隊飛行研究、衛星氣動分析和軌道壽命計算，并緊密圍繞探測大氣低熱層的任務需求，選擇了較低的衛星運行軌道。按照發射部署方式不同，從“國際空間站”釋放的QB50衛星壽命不到1年，運行在太陽同步軌道的QB50衛星壽命不到2年，有效避免衛星長期駐留空間軌道可能帶來的空間安全隱患。此外，QB50項目還開展在軌演示驗證，探索“阻力帆”離軌技術在未來低軌衛星上應用的潛在價值。

2017年6月23日，歐洲QB50項目8顆立方體衛星成功搭乘印度極軌衛星運載火箭－XL（PSLV－XL）進入太空，至此完成規劃的第2批QB50立方體衛星的發射。此前，在2017年4月18日，28顆QB50立方體衛星搭乘美國宇宙神－5（Atlas－5）運載火箭發射升空，并由軌道-ATK公司的“天鵝座”（Cygnus）貨運飛船運抵“國際空間站”（ISS），陸續利用立方體衛星部署裝置釋放入軌。QB50項目將開展迄今最大規模的地球大氣低熱層多點原位探測。

毛凌野/本文編輯