自從“ спутник”號衛星開啟太空衛星時代五十多年以來，大型機構一直主導著天空。在地球軌道上佔據位置的成千上萬顆衛星幾乎都是政府和企業資助的龐大專案的成果。幾十年來，每一代衛星都比上一代更復雜、更昂貴，設計時間更長，並且需要昂貴的發射設施、全球監測站、任務專家和研究中心等基礎設施。
然而，近年來，電子、太陽能和其他技術的進步使得大幅縮小衛星尺寸成為可能。一種名為 CubeSat 的新型衛星，大大簡化和標準化了小型航天器的設計，並將開發、發射和執行一顆衛星的成本降至 10 萬美元以下——這只是 NASA 或歐洲航天局典型任務預算的一小部分。
CubeSat 的大小與豆豆娃玩具盒差不多——考慮到直到最近，大多數科學家還認為 CubeSat 只不過是玩具。CubeSat 背後的理念是為衛星開發者提供尺寸和重量的標準規範，然後將許多衛星——每個衛星由不同的科學家、研究生、工程師團隊製造——組合成一個火箭有效載荷，通常搭載在其他更昂貴的、有少量空間可共享的任務上。火箭發射的高昂費用因此分攤到所有參與者身上，從而保持低成本。CubeSat 設計標準允許參與者共享設計功能和專業知識，併購買現成的元件。
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自 CubeSat 概念推出以來，來自美國、亞洲、歐洲和拉丁美洲的科學家已經成功發射了至少二十幾個 CubeSat，它們執行了從微重力生物醫學研究到高層大氣研究的各種任務。CubeSat 的低成本、快速開發時間和全球使用者社群，加上它們作為教學工具的價值，使其越來越受歡迎。大學團隊——通常主要由大學生和研究生組成——已經在世界各地湧現。CubeSat 還使小國、初創公司甚至高中團隊能夠開發自己的太空計劃。很快，發射成本可能會降至約 1 萬美元——低到足以讓太空業餘愛好者效仿。我們認為，CubeSat 可能會像 30 年前的 Apple II 對計算機領域所做的那樣：透過將一項眾所周知但以前難以獲得的技術掌握在幾乎所有人手中，引發一場經濟和技術革命。
啟動一個想法
自太空時代開始以來，重量僅為幾公斤的小型衛星就已存在；第一顆人造衛星 спутник 1 號本身的重量也僅略高於 80 公斤。但隨著火箭變得更加強大，衛星也變得更大更復雜，以至於一顆典型的通訊或研究衛星重達數噸。
與此同時，“微型衛星”——重量在 10 到 100 公斤之間的航天器——被推到了空間科學的邊緣，但從未完全消失。例如，大氣科學家將它們送入太空以探索熱層，即大氣層中從地球表面以上約 80 公里延伸到約 600 公里的層，並且自 20 世紀 60 年代初以來，數十顆 OSCAR（軌道衛星業餘無線電）通訊衛星一直在幫助業餘無線電愛好者進行連線。但由於電子小型化以及精密製造技術和微機電系統（例如現在 iPhone 到安全氣囊等裝置中常見的微型加速度計）的發展，小型衛星的潛力在 20 世紀 80 年代真正開始增長。
到 20 世紀 90 年代末，似乎有可能製造出重量僅為一公斤的有用衛星——這種尺寸將大大降低開發和發射費用，並鼓勵開發人員探索新穎的任務設計方式。NASA 也積極鼓勵工程師提出更廉價的太空科學方法。
正是在那時，我們中的一位（Twiggs，當時在斯坦福大學空間與系統開發實驗室），與加州州立理工大學聖路易斯奧比斯波分校的教授 Jordi Puig-Suari 一起，意識到要讓小型衛星概念得以實現，一些標準化至關重要，並且要效仿開源運動的榜樣，開源運動廉價地創造了世界一流的軟體。因此，在 2000 年，兩位工程師釋出了 CubeSat 規範。這份 10 頁的檔案制定了一些簡單的規定：每個單元必須是一個邊長為 10 釐米（正負十分之一毫米）的立方體，因此體積為一升。它的重量也不得超過一公斤。CubeSat 也可以是矩形的，佔用兩個或三個盒子的空間，作為一個物理單元；這些被稱為 2U 或 3U CubeSat。
CubeSat 由一個金屬框架組成，該框架包含並保護其中的電子裝置、儀器、通訊和能源系統。CubeSat 通常還在多個側面裝有太陽能電池板，並在一個末端伸出一個天線；有些可能很快就會配備基本的導航系統，帶有可以穩定飛行器姿態並將其定向到所需方向的微型噴嘴。
模組化設計意味著衛星可以裝在標準框架中發射，一次可以裝載多個，就像 Pez 糖果分配器中的糖果一樣，並在火箭到達軌道後彈出其有效載荷。2003 年，Puig-Suari 釋出了這種軌道部署器的設計，這使得安全攜帶和發射 CubeSat 作為美國和俄羅斯航天機構發射的火箭上的“偷渡者”成為可能。同年，一家名為 Pumpkin 的公司（總部位於舊金山）交付了第一個商用 CubeSat 套件——該套件結合了現成的元件，如電子主機板、金屬框架、電池和太陽能電池板，使幾乎沒有或沒有太空任務經驗的科學家能夠快速入門。
CubeSat 的內部結構與製造它們的團隊一樣多樣化。開啟一個 CubeSat，您可能會看到航空航天硬體和現成技術的混合；定製的科學儀器；從早期太空任務中回收的硬體；當地電子商店的無線電裝置；或從 PC 拆卸或在 eBay 上購買的計算機硬體。
從一開始，CubeSat 社群的成員就互相借鑑經驗、成功案例和設計技巧；新手很快就會了解到，除了有效載荷，其他一切都可以共享。當開發人員發現有效的東西時——例如，一種型號的業餘無線電在太空中工作的時間比另一種更長——他們會與其他 CubeSat 設計人員分享他們的發現。
很快我們就瞭解到，學生們也喜歡 CubeSat，並且可以從中學習到很多東西。傳統航空航天工程專業的學生從事理論專案或設計大型系統的小部件，這些系統在他們畢業多年後才會進入太空。相比之下，CubeSat 是學生可以真正接觸到的物體。它可以由一個團隊在一個房間裡共同構建。學生可以在一兩年內建立可工作的衛星，這使其成為理想的畢業論文專案。他們在 CubeSat 專案中承擔實際責任：即使是本科生也可以擔任專案經理和任務專家，並且看到他們的作品進入太空的可能性是努力工作的巨大動力。對於教育工作者來說，CubeSat 很有吸引力，因為它們展示了大型衛星的所有工程問題，因此為學生提供了一種更深入、更全面地瞭解衛星設計的方法。
立方體科學
在過去的幾年裡，嘗試使用 CubeSat 的科學家和機構範圍大大擴大。航空航天工程師和天體物理學家加入了來自其他部門的教授和學生，企業家也開始創辦公司提供發射服務和支援。沒有太多太空計劃的國家已經能夠啟動一項太空計劃。瑞士和哥倫比亞已經發射了他們國家的第一個 CubeSat，其他幾個國家——包括愛沙尼亞——也在開發自己的 CubeSat。CubeSat 甚至使美國各州有可能啟動自己的太空計劃。最值得注意的是，肯塔基州已經成立了一個由學術和非營利機構組成的聯盟，以建立 CubeSat 產業。
最先進的技術也已從面向教育的演示任務——早期專案被稱為“BeepSat”，因為它們通常只是傳輸無線電訊號以確認它們還活著，並證明小型衛星可以與地球上的站點通訊——發展到更嚴肅的科學。正如 NASA 技術專家 Jason Crusan 所說，CubeSat 社群現在可以指出“大量成功且重要的任務，這些任務已經顯示出成果”並回答批評者的反對意見。CubeSat 已經從玩具發展成為工具。
這些工具正在許多領域中使用，其中一些領域具有爭議性或高度實驗性。2003 年發射的 QuakeSat 是更好地預測地震的一部分工作，其方法是檢測極低頻 (ELF) 磁場變化。QuakeSat 運行了幾個月，併成功地將資料發回其在斯坦福大學的地面站，儘管大多數地震學家仍然懷疑 ELF 與地震之間存在因果關係，或者懷疑基於太空的 ELF 檢測的價值。另一個例子是 LightSail-1，這是一個由行星協會設計的 3U CubeSat，用於測試世界上第一個太陽風帆，這項技術有一天可能成為太陽系周圍可行的推進模式。
NASA、情報機構和軍方也開始嘗試使用 CubeSat。鑑於幾年前，主流太空科學家認為 CubeSat 永遠不會強大或精密到足以進行真正的科學或監視，無法精確操縱或控制，並且會在寶貴的近地軌道中增加太空垃圾，因此這種態度的轉變是值得注意的。即使微電子、感測器、電池和其他系統元件得到了改進，習慣於花費數億美元和數千人年製造汽車大小衛星的組織仍然無法想象，一顆快速製造的鞋盒大小的衛星可能值得關注。
例如，國家偵察辦公室的 Colony 1 計劃正在使用 CubeSat 在將新技術安裝到更大的航天器上之前對其進行試飛。其他科學家則使用 CubeSat 進行更傳統的藥物研究。位於加利福尼亞州矽谷的 NASA 艾姆斯研究中心的小型航天器辦公室分別在 2006 年和 2007 年發射了兩顆 CubeSat，以測試在近地軌道上使用熟悉的“晶片實驗室”工具的可行性，並檢視生物學家是否有可能廉價地進行微重力實驗。三年後，該小組測試了抗菌藥物在微重力環境中的有效性——這是為長期載人任務設計藥典的第一步。2010 年 7 月，總部位於休斯頓的公司 NanoRacks 在國際空間站上安裝了一個 CubeSat 支架，現在將空間出租給對在太空進行研究感興趣的製藥公司和其他以科學為基礎的行業——以及教育機構，包括一所高中。
一些 CubeSat 致力於天氣和氣候研究。由科羅拉多州立大學的科學家設計的 CloudSat 將研究垂直雲結構和數天內的形成，這是乘坐飛機飛行的氣象學家無法做到的。一項由國家科學基金會支援的任務名為 Firefly，將部署伽馬射線探測器和光度計來測量地球伽馬射線閃光，這種閃光通常在雷暴期間從地球大氣層向上射入太空。
CloudSat 和 Firefly 都將觀測對流層中的現象，對流層是人類居住的 16 公里深的大氣層。另一類 CubeSat 將研究熱層。熱層受到太陽風、日冕物質拋射和太陽黑子的衝擊，其上邊界會根據太陽活動而上升和下降。這些變化會干擾低軌道衛星的效能：美國空間站天空實驗室於 1979 年墜毀，原因是熱層意外升高增加了空間站的阻力並將其拉向地球。鑑於國際空間站、GPS 以及無線電和電視衛星都在熱層中執行，瞭解這一層對於全球通訊和科學的重要性，就像瞭解海洋對於全球貿易的重要性一樣。軌道更高的較大衛星無法直接觀測熱層；相反，它們看到熱層夾在外逸層（地球和太空之間的薄層）和平流層（直接位於熱層下方的層）之間，而探測火箭上的儀器可以進行直接測量，但只能在火箭軌跡的小柱狀範圍內，並且只能持續幾分鐘。
第一個到達太空的熱層 CubeSat 是瑞士的 SwissCube，於 2009 年底發射。SwissCube 測量和繪製氣輝圖，氣輝是高層大氣中化學和物理反應發出的非常微弱的光，以幫助科學家更好地瞭解其原因，並在研究其他大氣或地球現象時更有效地將其濾除。
太空新經濟
CubeSat 帶來的最具顛覆性的創新也許是它們將一種新的商業模式引入了太空經濟學。來自不同團隊的 CubeSat 通常捆綁在一起並作為輔助有效載荷發射。這意味著 CubeSat 在主要有效載荷的所有者方便時發射，但乘坐經濟艙可以節省資金並將發射成本分攤到許多參與者身上。此外，正如肯塔基州科學技術公司總裁兼創始人 Kris W. Kimel 解釋的那樣，CubeSat 的低成本“讓你可以失敗，也讓你能夠創新。這是創業精神的關鍵。”低成本在整個設計和部署過程中創造了更高的失敗容忍度：對於 CubeSat 來說，在發射臺上爆炸或一旦進入太空就拒絕部署的損失較小。（而且確實會發生這種情況：2006 年的火箭故障中損失了 14 顆 CubeSat，另有 9 顆 CubeSat 與地面站沒有或只有有限的聯絡。）“如果你損失了一顆，你不會高興，”Kimel 說。“但這不像你損失了 500 萬美元。”相比之下，傳統衛星“太大而不能失敗”，Pumpkin 總裁兼首席技術架構師 Andrew Kalman 說。
一些任務更進一步地採取了這種態度：他們故意將 CubeSat 置於自毀軌道中以生成有趣的資料。“CubeSat 可以去它們無法長期生存的地方，”Puig-Suari 指出。“我可以製造一顆一次性衛星，我可以有效地將其放置在危險的位置。你不僅可以容忍失敗，還可以為失敗而設計並利用它。”
Twiggs 幫助設計的任務中有兩個例子可以說明這種方法。第一個是歐洲、亞洲和美國團隊合作的 QB50。該聯盟將在熱層上邊緣發射 50 顆雙立方體 CubeSat。在幾個月的時間裡，隨著大氣摩擦減緩衛星速度，它們的軌道將衰減，它們將收集關於熱層化學成分、密度和溫度的資訊，直到它們最終墜落到地球。
第二個例子是一個名為極地軌道被動大氣校準球的任務。它將發射三顆 3U CubeSat，以測量太陽耀斑對地球大氣層的加熱。當衛星飛過極地大氣層時，科學家們將觀察它們的軌道如何衰減，並期望瞭解如何更好地預測熱層與太陽活動之間的關係。
CubeSat 的小尺寸及其相對較弱的通訊系統仍然對單個航天器收集大量有趣資料的能力施加了嚴格的限制。這就是大多數任務都是雙立方體或三立方體的原因之一，也是為什麼科學家們現在正在試驗部署 CubeSat 網路的原因，在這些網路中，衛星能夠協調和協同工作，就像鳥群和遷徙的方式非常相似。開發人員正在研究星間通訊、允許編隊飛行的系統，甚至長達數公里的繫繩，以保持衛星連線在一起。最後，國防高階研究計劃局正在資助一個價值 7500 萬美元的 CubeSat 網路研究專案，以瞭解在何種情況下 CubeSat 可以取代傳統衛星。穩定的 CubeSat 星座甚至可以替代大型儀器：猶他州立大學的名譽教授 Gil Moore 設想能夠“建立大型、稀疏的陣列，這些陣列將完成哈勃和韋伯太空望遠鏡所做的事情。”
為了進一步擴充套件 CubeSat 的功能，麻省理工學院的 Paulo Lozano 開發了一種微型電子推進系統，該系統將使 CubeSat 能夠被操縱。其他人正在研究列印 CubeSat 元件，這將降低成本。
最終，Kalman 說，科學家們將能夠像對待個人電腦一樣對待 CubeSat：它們將成為“人們可以構建自己的應用程式的基礎”。CubeSat 可能成為太空科學領域的個人電腦——廉價、靈活、商品化和標準化——這種想法暗示了最終的，甚至可能更具革命性的作用：使業餘愛好者能夠進入太空。這可能會比預期更早到來：加利福尼亞州莫哈韋沙漠的太空初創公司 Interorbital Systems 計劃提供 CubeSat 套件和低於 1 萬美元的近地軌道發射服務。“業餘愛好者將有機會參與，”Puig-Suari 說。“人們將開始建造他們自己的迷你哈勃望遠鏡。”