林来兴 （北京控制工程研究所）

立方体卫星研制中的颠覆性创新

Disruptive Innovation in the Development of CubeS at

林来兴 （北京控制工程研究所）

在我国“十三五”规划中明确了，“大众创业，万众创新”是我国国民经济持续发展的新引擎。创新有两种：颠覆性创新和渐进性创新，颠覆性创新是最高层次。当今对颠覆性创新的出现与发展可能还有些人不甚了解，特别是在航天领域。为此，本文将以最不引人注意的立方体卫星(CubeSat)为例，来论证它是一个名副其实的颠覆性创新。

1 颠覆性创新概念

颠覆性创新是美国哈佛商学院克莱顿·克里斯坦森（Clayton Christenson）教授创造的一个术语，描述了一种产品或服务最初在低端市场的简单应用程序中的扎根过程，然后无情向上推进市场，最后取代已有的竞争对手。换句话说就是把一个贵重物品做得很便宜，把原来一个很难获得的东西变得容易获得，把原来一个很难用的东西变成非常容易使用。这完全符合一切工程技术和科学与艺术，其发展的最终目标是追求简单性和完善性的规律。例如：个人计算机颠覆主机计算机行业，智能手机继续不断颠覆计算机、数码相机等。

颠覆性技术由低端一直向上发展，最终满足甚至还超过最为苛刻的用户的要求。颠覆性创新应包括技术和管理两部分。特别要注意的是，要有满足颠覆性创新技术的组织管理，若没有组织管理，颠覆性创新技术也会夭折，因为颠覆性技术创新是一个过程，短的也要几年时间。概括起来颠覆性创新有以下几个特征：

1) 非竞争性。是指颠覆性创新并不是与现有主流市场竞争者争夺用户，而是通过满足新的现有主流产品的“非消费者”来求得生存与发展。

2) 初始阶段的低端性。这种低端性才使得它被现有主流市场的竞争者所忽略，避开与现有高端市场的激烈竞争，从而成长壮大。

3) 简便性。这令使用者变得更为广泛，从而使产品的价格更加低廉，让更多人能够用得起，为此创造良好的市场条件，不至于过早夭折。

4) 应用价值导向性。投资成本低，应用效果日益增长。这表明颠覆性创新的价值所在，缺少这一点，颠覆性创新就失去了存在的价值。

2 立方体卫星的概念与技术发展

在小卫星中最小的两个种类分别为：纳卫星，质量为1～10kg；皮卫星，质量为0.1～1kg。有些人认为这样小的卫星用处不大，没有研究价值。纳卫星也只做些空间简单试验，皮卫星几乎仅作物理概念存在，20世纪发射数量极少。但美国斯坦福大学汤姆·肯尼（Tom Kenny）教授根据该校多年对纳卫星研究积累的经验，在1999年对纳卫星提出了新的概念，即质量为1kg，结构尺寸为10cm×10cm×10cm的正方体。

立方体卫星从概念产生至今已有十几年了，技术得到极大发展。正像颠覆性创新发展过程一样，这个过程大致可以分成为低端、中端和高端用户提供产品这3个阶段。

概念深化与研究阶段—为低端用户提供产品

立方体卫星概念出现以后，首先得到全世界大学和部分研究机构的拥戴，并积极参与开发和研究。从立方体卫星概念产生至2003年，据初步估计，全球最少有60～70个大学和研究机构，包括美国波恩公司空间研究中心、美国国家航空航天局（NASA）艾姆斯研究中心（Ames）等，都加入到立方体卫星研究开发行列当中。特别是在美国大学，立方体卫星已成为影响最大的小卫星研究项目。国际上对立方体卫星的研究逐渐形成一个热潮。并开始进入低端市场，以成本低、研制周期短、具有一定空间应用价值的产品为用户服务。

2003年6月30日，世界首批立方体卫星成功发射，这批立方体卫星共有6颗，它们包括：日本2颗，丹麦2颗，加拿大1颗，这5颗卫星的质量皆为1kg；美国1颗地震研究卫星，质量为4kg。

2003－2009年，各国相继发射70多颗立方体卫星，它们的共同特点是费用低，仅需要几万到十几万美元，相比而言，当时一颗常规卫星至少需要2～3亿美元，两者相差3～4个数量级，而且研制周期缩短5～6倍。虽然技术水平和应用价值较低，但也有一定的空间应用价值。这正是颠覆性创新初期的特点。

空间演示和应用阶段—为中端用户提供产品

2010－2013年已经进入为中端用户提供产品阶段。也就是立方体卫星技术水平和应用价值有很大提高，个别产品开始接近现有中小型卫星水平。经费少，研制周期短仍然是这个阶段的特点。在这4年间全世界发射立方体卫星大约170颗。下面列出其中2颗典型实例：“生命体/有机物暴露在轨实验”卫星和“美国观测空间碎片望远镜”卫星。

立方体卫星爆炸式增长—为高端用户提供产品

2014－2017年，立方体纳卫星已经开始进入为高端用户提供卫星产品阶段，也可以说，它代表了立方体卫星当前的发展技术水平和应用价值。这个阶段，立方体纳卫星发射量剧增，每年平均发射量约为190颗，超过全世界总发射量的一半。其技术水平已经和当前卫星技术相当，有些应用领域达到现有单颗卫星难以达到的程度，比如时间分辨率。另外，仍然保持着经费投资少，研制周期短的优势。

上面3个发展阶段充分说明，立方体卫星完全符合颠覆性创新应具有的性质和特征。从2003年第一批立方体卫星发射成功到2015年，其间发射立方体卫星共有425颗，这些卫星分布在各个应用领域，对地观测和空间技术试验两项占2/3左右。这里所指技术试验不仅包括新技术空间试验，更多是大型星座应用试验，其卫星技术已经比较成熟。在这发射的425颗卫星中，美国占76%，其他国家仅占24%。

3 立方体卫星发展前景—研制最苛刻用户要求的产品

从颠覆性创新概念和发展过程得知，今后立方体卫星已处在颠覆性创新的最高位置，这也是立方体卫星今后的发展方向，研制最苛刻用户要求的产品。为了便于讨论，从下列几个方面来说明。

立方体卫星组合形式

立方体卫星已经不是以前简单的2～3U组合，已经有下列组合形式：

1）众多基本单元（U）组合。目前已有27U的组合形式，今后可能发展30～40U的大型组合，卫星质量估计在50kg以下；

2）几个基本单元（3～6U）作为基本组合主体，外面设有可展开式机构。太阳电池翼和多种形式天线，这些可展开设备仍然作卫星平台组成部分；目前已做成大型可折叠柔性太阳电池翼，面积在几十平方米以上，可发电几百瓦以上。

今后5年立方体卫星发射量预测

立方体卫星从2012年起每年发射量都在增加，2013年和2014年的发射量剧增，今后立方体卫星年度发射量仍保持增长趋势。

根据美国Space Works咨询公司在2016年初的市场预测，统计出1～50kg微小卫星每年发射量。市场预测的发射量会有些波动，卫星具体发射量常有变化，因为预测中很多项目都是大型星座，少则几十颗卫星，多则上百颗。但是，卫星发射量日益增加的态势是肯定的。预测1～50kg微小卫星发射量在未来几年可能占全球航天器发射量的2/3左右。这种微小卫星功能密度很高，成本低，研制周期短，将有可能取代相当一部分传统中小卫星，但是它不可能也不会取代大型卫星。

大型纳卫星编队飞行

大型纳卫星编队飞行可以认为是最苛刻要求的空间产品，这里列出两项正在设计研究阶段的星群。

（1) “硅片集成飞卫星” (SWIFT) 星群计划

SWIFT卫星（100g）组成大型星群任务由美国国防高级研究计划局（DARPA）资助，NASA喷气推进实验室(JPL)等单位负责研制。采用众多飞卫星（FemtoSat，质量为10～100g）组成星群，在地球低轨道飞行。该任务的研究目的是由星群组成稀疏孔径阵列和空间分布式敏感器网络。星群在轨道要形成三维编队飞行。另外星上装有通信系统、三轴姿态和位置敏感器、电源分系统、微型反作用轮和一套微小型肼推进系统。数字微推力系统总功率1.6W，总质量95.5g。小型热气肼系统总功率1.7W，总质量104.7g。

微小卫星（1～50kg）今后5年发射量 颗

在轨道飞行实验中，要求保持编队飞行队形持续时间能达到100～1000s。是否能够成功尚需空间演示验证。

（2) “自主纳卫星技术星群”（ANTS）任务体系结构

在太阳系中，火星轨道与木星轨道之间存在一条小行星带，约有50多万颗小行星。体积大小差异很大，最大的直径有上千千米。过去很长历史时期，由于缺乏有效的观测手段，探测小行星带的收获很小。为此，NASA计划在2025－2030年在小行星带建立一个“自主纳卫星技术星群”探测体系，从而可以长期探测小行星带。这个星群设想由1000颗纳卫星组成，每颗卫星质量为几千克。它们分批由火箭发射在太阳与木星间的拉格朗日点上，然后择机进入小行星带，组成星群。

这些立方体卫星在飞行轨道上组成各种功能模块。所谓星群是类似于被动编队飞行，它依靠一种仿自然界昆虫的组织方式，例如蚂蚁觅食、蜜蜂筑巢行为的人工智能方法，使星群内所有纳卫星可以自主保持松散队形，也就是说不会发生某些卫星走失情况，而且不消耗燃料。这项飞行任务目前还处在研究和方案设计阶段。

空间飞行试验任务技术指标如下：任务寿命5～10年，轨道距地球1～3.5天文单位，纳卫星质量约为1kg，星上功率100～300mW，姿态三轴稳定。

应用3D打印技术研制立方体卫星

俄罗斯联邦航天局和NASA都在积极研究应用3D打印技术研制立方体卫星。该方法目前有两种类型：第一种类型是用3D打印机制造立方体卫星结构，然后把立方体卫星有关部件组装进去，这些都在地面上进行，最后送到空间站或者载人飞船，由航天员送入太空。对于这种类型，2016年3月31日，俄罗斯的4颗由6U立方体卫星已经由进步MS－2（Progress MS－2）货运飞船成功送到“国际空间站”。

第二种类型是美国NASA目前正在研究的，方法是把3D打印机、材料和有关部件（模块化）一起送入空间站，目前计划由航天员或者空间机器人在空间站组装，最后由空间站专门通道把立方体卫星送入太空（2015年已经有多颗“鸽群”立方体卫星通过这种释放方式部署）。将来有可能在空间站建立立方体卫星组装流水线。

4 结束语

立方体卫星是一个典型的颠覆性创新。当前立方体卫星正在步入颠覆性创新的最高位置，研制最苛刻用户要求的空间产品。今后，立方体卫星的发展将引发空间技术的一场革新。