微型卫星是天空中的教室

科林·库皮多拿起卫星模型，模仿它在太空中的悬挂方式，围绕着身体移动，仿佛它正在围绕地球运行。这颗卫星是一个立方星（CubeSat），是一种微型的立方体形状的航天器或纳卫星，可以进行太空实验。库皮多实际上持有三个相连的立方体，总共大约相当于一个面包的大小。在这个微小的外壳之下，隐藏着太空研究未来的希望之一。

库皮多是阿尔伯塔大学的近期毕业生，也是该项目的系统负责人。他表示，这颗名为“Ex-Alta 1”的卫星是阿尔伯塔大学建造的第一颗此类卫星。但它仅仅是全球大学正在制造的 50 颗卫星之一，它们参与了 QB50（“立方体 50”）任务。该项目由比利时的冯·卡门流体力学研究所管理，旨在提供实践教育，同时进行太空科学实验。QB50 是全球众多旨在让大学生、高中生甚至更年轻的学生参与制造和操作立方星的项目之一。

技术的进步使得这种微型航天器比许多人想象的要经济得多。立方星的零部件相对便宜，而且成品紧凑，可以搭乘已经发射到太空的火箭，这对于研究人员和学生来说都是福音。而曾经只有大型国家和国际航天机构才能资助大型卫星——这些卫星可能像城市公交车一样大，建造和发射成本高达 5000 万至 1 亿美元——像“Ex-Alta 1”这样的微型卫星成本约为 80 万美元。阿尔伯塔大学团队通过众筹活动、航天机构资助、大学支持以及航空航天公司的捐赠等方式筹集了大部分资金，这些都是目前团队资助此类卫星项目的典型方式。

太空游乐场

自 2011 年以来，通过 NASA 的立方星发射计划，已有 40 颗小型航天器从火箭上发射升空，并产生了多年的数据，同时教会了学生太空技术的基础知识。这些鞋盒大小甚至更小的卫星，技术先进到足以研究空间天气，收集其他行星的资源，并增进我们对太空的了解——这一切都为前几代人提供了需要多年才能获得的实践经验。

立方星在 21 世纪初开始成为科学词汇的一部分，当时一位斯坦福大学的教授希望让他的学生有机会建造和操作太空技术。

1999 年，现任莫尔黑德州立大学的航天工程师罗伯特·泰格斯（Robert Twiggs）帮助创建了轨道皮科卫星自动发射器（OPAL），这是一种微型卫星，可以将多颗像冰淇淋棒一样小的卫星发射到太空。其目标是看看母体微型卫星是否能够发射较小的子卫星，所有卫星都能够向地球发送地磁场测量数据。

2000 年发射升空后，OPAL 两年多来一直运行良好。任务的成功激励泰格斯创造了一个更大的设计，以便学生有更多的实验选择。该蓝图仅花费 20,000 美元，便构成了如今许多立方星建造的基础。

泰格斯说：“我们最初将立方星视为建造一颗斯普特尼克卫星。经历整个过程，成功发射并使其在太空中运行，这是一个相当大的过程——这就是我们希望用于学生教育的。我并没有设想会超越大学。”

2010 年，美国国家科学基金会与密歇根大学合作，创造了第一颗具有科学目的的立方星：研究空间天气对无线电传输或 GPS 的影响。它的效果非常好，以至于很快其他更富有的组织也想加入立方星的行列。大量资金突然涌入该行业，将一次现有单单元卫星的太空发射费用从 30,000 美元提高到 120,000 美元。曾经“廉价”的卫星——主要作为教育工具而创建——对于许多学术项目来说变得过于昂贵。

与任何大型卫星相比，成本仍然低得多，但对于许多学校来说，这仍然不是一笔小数目。要将他们的实验发射到太空，他们需要成为航天机构计划的一部分。（库皮多表示，如果可能，建造立方星的大学会建立某种合作关系，最终保证他们获得太空的席位。）并非所有学校都有资源参与，但与过去相比，现在的学生能够接触到的太空研究要容易得多。如今，教师可以从美国的主要供应商那里在线订购完整的立方星套件——其中包含制造卫星所需的所有组件。

NASA 先进探索系统总监杰森·克鲁桑（Jason Crusan）说：“我的这一代人见证了互联网的诞生。如今，今天的学生们正在成长，卫星已经成为他们自己可以做的事情。这非常具有革命性。”

任务成功

在阿尔伯塔大学的实验室里，库皮多穿着实验服，戴着防尘口罩、发网和手套，小心翼翼地处理着“Ex-Alta 1”内部的微小零件。金属探针像天线一样从卫星顶部伸出，用于测量电子密度。

这些探针以及机载磁力计将在“Ex-Alta 1”进入轨道后，研究和预测空间天气。这一点很重要，因为空间风暴会干扰 GPS 信号，并可能导致飞机与地面控制之间的通信出现问题。一场大的风暴甚至可能导致全球电力供应短路。立方星非常适合研究大气层较低区域的空间风暴，这些区域对于天气气球来说太高，而对于大型卫星来说又太低，以至于无法承受。

QB50 任务项目经理扬·托梅尔（Jan Thoemel）说：“这是一个令人感兴趣的区域，我们应该进一步探索。”但距离卫星准备好发射还需要几个月，预计发射日期为 2016 年 2 月。QB50 宣布，这些立方星将从国际空间站发射，此前它们将通过已经进行太空旅行的火箭运送过去。

与此同时，约有 50 名学生每周两次聚集在阿尔伯塔大学的实验室里，为能够真正与轨道上的航天器进行通信做准备。模拟器使他们能够练习确定电池电量、与卫星通信以及分析机械振动和结构应力。

库皮多说：“这颗卫星本质上是一个机器人，配有无线电、传感器、眼睛和耳朵。你每天和它对话几次；其余时间，它需要自己知道该做什么。”因此，他和学生们学到了很多关于如何制造能够独立运行的可靠平台。即使在卫星发射到太空之前，学生们已经获得了宝贵的经验。

泰格斯已经看到了动手教育对以往学生们的影响。其中一位学生在私人飞船制造商 SpaceX 开发开创性的龙飞船（Dragon spacecraft）方面发挥了关键作用。与此同时，由泰格斯以前的学生创立的卫星公司 Skybox Imaging 最近被谷歌以 5 亿美元收购。

最后的边疆

下一代立方星学生将能够更高效地将他们的卫星送入太空，因为不断改进的技术使发射在经济上和环境上都更加容易。DARPA、维珍银河（Virgin Galactic）等公司正在研发使用飞机将航天器送至太空边缘的实验性新型轨道发射方式。

卫星本身也变得更加坚固，其部件能够承受更高的海拔并持续更长时间。NASA 希望通过其有史以来最强大的火箭——太空发射系统（Space Launch System）的首次任务，将 11 颗立方星发射到前所未有的深空。其中一颗卫星“月球手电筒”（Lunar Flashlight）将研究月球资源，希望未来的探险家们有一天能利用这些资源作为建筑材料、饮用水甚至氧气。这 11 颗卫星中的另一颗“生物卫星”（BioSentinel）将利用酵母来确定深空辐射对生物体的作用。

NASA 的克鲁桑说：“我们已经能够看到整个行业的发展，组件的发展，以及培养出如此优秀的学生，他们正在加入这些新的航空航天公司和 NASA 的行列。现在，我们将真正去执行一些探索任务，利用这些小型卫星。”对于一个能装在手中的、规模庞大的科学实验来说，这真是令人印象深刻。

[本文最初以“天空中的教室”为题刊登在纸质版上。]