自从“ спутник”号卫星开启太空卫星时代五十多年以来，大型机构一直主导着天空。在地球轨道上占据位置的成千上万颗卫星几乎都是政府和企业资助的庞大项目的成果。几十年来，每一代卫星都比上一代更复杂、更昂贵，设计时间更长，并且需要昂贵的发射设施、全球监测站、任务专家和研究中心等基础设施。
然而，近年来，电子、太阳能和其他技术的进步使得大幅缩小卫星尺寸成为可能。一种名为 CubeSat 的新型卫星，大大简化和标准化了小型航天器的设计，并将开发、发射和运行一颗卫星的成本降至 10 万美元以下——这只是 NASA 或欧洲航天局典型任务预算的一小部分。
CubeSat 的大小与豆豆娃玩具盒差不多——考虑到直到最近，大多数科学家还认为 CubeSat 只不过是玩具。CubeSat 背后的理念是为卫星开发者提供尺寸和重量的标准规范，然后将许多卫星——每个卫星由不同的科学家、研究生、工程师团队制造——组合成一个火箭有效载荷，通常搭载在其他更昂贵的、有少量空间可共享的任务上。火箭发射的高昂费用因此分摊到所有参与者身上，从而保持低成本。CubeSat 设计标准允许参与者共享设计功能和专业知识，并购买现成的组件。
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自 CubeSat 概念推出以来，来自美国、亚洲、欧洲和拉丁美洲的科学家已经成功发射了至少二十几个 CubeSat，它们执行了从微重力生物医学研究到高层大气研究的各种任务。CubeSat 的低成本、快速开发时间和全球用户社区，加上它们作为教学工具的价值，使其越来越受欢迎。大学团队——通常主要由大学生和研究生组成——已经在世界各地涌现。CubeSat 还使小国、初创公司甚至高中团队能够开发自己的太空计划。很快，发射成本可能会降至约 1 万美元——低到足以让太空业余爱好者效仿。我们认为，CubeSat 可能会像 30 年前的 Apple II 对计算机领域所做的那样：通过将一项众所周知但以前难以获得的技术掌握在几乎所有人手中，引发一场经济和技术革命。
启动一个想法
自太空时代开始以来，重量仅为几公斤的小型卫星就已存在；第一颗人造卫星 спутник 1 号本身的重量也仅略高于 80 公斤。但随着火箭变得更加强大，卫星也变得更大更复杂，以至于一颗典型的通信或研究卫星重达数吨。
与此同时，“微型卫星”——重量在 10 到 100 公斤之间的航天器——被推到了空间科学的边缘，但从未完全消失。例如，大气科学家将它们送入太空以探索热层，即大气层中从地球表面以上约 80 公里延伸到约 600 公里的层，并且自 20 世纪 60 年代初以来，数十颗 OSCAR（轨道卫星业余无线电）通信卫星一直在帮助业余无线电爱好者进行连接。但由于电子小型化以及精密制造技术和微机电系统（例如现在 iPhone 到安全气囊等设备中常见的微型加速度计）的发展，小型卫星的潜力在 20 世纪 80 年代真正开始增长。
到 20 世纪 90 年代末，似乎有可能制造出重量仅为一公斤的有用卫星——这种尺寸将大大降低开发和发射费用，并鼓励开发人员探索新颖的任务设计方式。NASA 也积极鼓励工程师提出更廉价的太空科学方法。
正是在那时，我们中的一位（Twiggs，当时在斯坦福大学空间与系统开发实验室），与加州州立理工大学圣路易斯奥比斯波分校的教授 Jordi Puig-Suari 一起，意识到要让小型卫星概念得以实现，一些标准化至关重要，并且要效仿开源运动的榜样，开源运动廉价地创造了世界一流的软件。因此，在 2000 年，两位工程师发布了 CubeSat 规范。这份 10 页的文件制定了一些简单的规定：每个单元必须是一个边长为 10 厘米（正负十分之一毫米）的立方体，因此体积为一升。它的重量也不得超过一公斤。CubeSat 也可以是矩形的，占用两个或三个盒子的空间，作为一个物理单元；这些被称为 2U 或 3U CubeSat。
CubeSat 由一个金属框架组成，该框架包含并保护其中的电子设备、仪器、通信和能源系统。CubeSat 通常还在多个侧面装有太阳能电池板，并在一个末端伸出一个天线；有些可能很快就会配备基本的导航系统，带有可以稳定飞行器姿态并将其定向到所需方向的微型喷嘴。
模块化设计意味着卫星可以装在标准框架中发射，一次可以装载多个，就像 Pez 糖果分配器中的糖果一样，并在火箭到达轨道后弹出其有效载荷。2003 年，Puig-Suari 发布了这种轨道部署器的设计，这使得安全携带和发射 CubeSat 作为美国和俄罗斯航天机构发射的火箭上的“偷渡者”成为可能。同年，一家名为 Pumpkin 的公司（总部位于旧金山）交付了第一个商用 CubeSat 套件——该套件结合了现成的组件，如电子主板、金属框架、电池和太阳能电池板，使几乎没有或没有太空任务经验的科学家能够快速入门。
CubeSat 的内部结构与制造它们的团队一样多样化。打开一个 CubeSat，您可能会看到航空航天硬件和现成技术的混合；定制的科学仪器；从早期太空任务中回收的硬件；当地电子商店的无线电设备；或从 PC 拆卸或在 eBay 上购买的计算机硬件。
从一开始，CubeSat 社区的成员就互相借鉴经验、成功案例和设计技巧；新手很快就会了解到，除了有效载荷，其他一切都可以共享。当开发人员发现有效的东西时——例如，一种型号的业余无线电在太空中工作的时间比另一种更长——他们会与其他 CubeSat 设计人员分享他们的发现。
很快我们就了解到，学生们也喜欢 CubeSat，并且可以从中学习到很多东西。传统航空航天工程专业的学生从事理论项目或设计大型系统的小部件，这些系统在他们毕业多年后才会进入太空。相比之下，CubeSat 是学生可以真正接触到的物体。它可以由一个团队在一个房间里共同构建。学生可以在一两年内创建可工作的卫星，这使其成为理想的毕业论文项目。他们在 CubeSat 项目中承担实际责任：即使是本科生也可以担任项目经理和任务专家，并且看到他们的作品进入太空的可能性是努力工作的巨大动力。对于教育工作者来说，CubeSat 很有吸引力，因为它们展示了大型卫星的所有工程问题，因此为学生提供了一种更深入、更全面地了解卫星设计的方法。
立方体科学
在过去的几年里，尝试使用 CubeSat 的科学家和机构范围大大扩大。航空航天工程师和天体物理学家加入了来自其他部门的教授和学生，企业家也开始创办公司提供发射服务和支持。没有太多太空计划的国家已经能够启动一项太空计划。瑞士和哥伦比亚已经发射了他们国家的第一个 CubeSat，其他几个国家——包括爱沙尼亚——也在开发自己的 CubeSat。CubeSat 甚至使美国各州有可能启动自己的太空计划。最值得注意的是，肯塔基州已经成立了一个由学术和非营利机构组成的联盟，以建立 CubeSat 产业。
最先进的技术也已从面向教育的演示任务——早期项目被称为“BeepSat”，因为它们通常只是传输无线电信号以确认它们还活着，并证明小型卫星可以与地球上的站点通信——发展到更严肃的科学。正如 NASA 技术专家 Jason Crusan 所说，CubeSat 社区现在可以指出“大量成功且重要的任务，这些任务已经显示出成果”并回答批评者的反对意见。CubeSat 已经从玩具发展成为工具。
这些工具正在许多领域中使用，其中一些领域具有争议性或高度实验性。2003 年发射的 QuakeSat 是更好地预测地震的一部分工作，其方法是检测极低频 (ELF) 磁场变化。QuakeSat 运行了几个月，并成功地将数据发回其在斯坦福大学的地面站，尽管大多数地震学家仍然怀疑 ELF 与地震之间存在因果关系，或者怀疑基于太空的 ELF 检测的价值。另一个例子是 LightSail-1，这是一个由行星协会设计的 3U CubeSat，用于测试世界上第一个太阳风帆，这项技术有一天可能成为太阳系周围可行的推进模式。
NASA、情报机构和军方也开始尝试使用 CubeSat。鉴于几年前，主流太空科学家认为 CubeSat 永远不会强大或精密到足以进行真正的科学或监视，无法精确操纵或控制，并且会在宝贵的近地轨道中增加太空垃圾，因此这种态度的转变是值得注意的。即使微电子、传感器、电池和其他系统组件得到了改进，习惯于花费数亿美元和数千人年制造汽车大小卫星的组织仍然无法想象，一颗快速制造的鞋盒大小的卫星可能值得关注。
例如，国家侦察办公室的 Colony 1 计划正在使用 CubeSat 在将新技术安装到更大的航天器上之前对其进行试飞。其他科学家则使用 CubeSat 进行更传统的药物研究。位于加利福尼亚州硅谷的 NASA 艾姆斯研究中心的小型航天器办公室分别在 2006 年和 2007 年发射了两颗 CubeSat，以测试在近地轨道上使用熟悉的“芯片实验室”工具的可行性，并查看生物学家是否有可能廉价地进行微重力实验。三年后，该小组测试了抗菌药物在微重力环境中的有效性——这是为长期载人任务设计药典的第一步。2010 年 7 月，总部位于休斯顿的公司 NanoRacks 在国际空间站上安装了一个 CubeSat 支架，现在将空间出租给对在太空进行研究感兴趣的制药公司和其他以科学为基础的行业——以及教育机构，包括一所高中。
一些 CubeSat 致力于天气和气候研究。由科罗拉多州立大学的科学家设计的 CloudSat 将研究垂直云结构和数天内的形成，这是乘坐飞机飞行的气象学家无法做到的。一项由国家科学基金会支持的任务名为 Firefly，将部署伽马射线探测器和光度计来测量地球伽马射线闪光，这种闪光通常在雷暴期间从地球大气层向上射入太空。
CloudSat 和 Firefly 都将观测对流层中的现象，对流层是人类居住的 16 公里深的大气层。另一类 CubeSat 将研究热层。热层受到太阳风、日冕物质抛射和太阳黑子的冲击，其上边界会根据太阳活动而上升和下降。这些变化会干扰低轨道卫星的性能：美国空间站天空实验室于 1979 年坠毁，原因是热层意外升高增加了空间站的阻力并将其拉向地球。鉴于国际空间站、GPS 以及无线电和电视卫星都在热层中运行，了解这一层对于全球通信和科学的重要性，就像了解海洋对于全球贸易的重要性一样。轨道更高的较大卫星无法直接观测热层；相反，它们看到热层夹在外逸层（地球和太空之间的薄层）和平流层（直接位于热层下方的层）之间，而探测火箭上的仪器可以进行直接测量，但只能在火箭轨迹的小柱状范围内，并且只能持续几分钟。
第一个到达太空的热层 CubeSat 是瑞士的 SwissCube，于 2009 年底发射。SwissCube 测量和绘制气辉图，气辉是高层大气中化学和物理反应发出的非常微弱的光，以帮助科学家更好地了解其原因，并在研究其他大气或地球现象时更有效地将其滤除。
太空新经济
CubeSat 带来的最具颠覆性的创新也许是它们将一种新的商业模式引入了太空经济学。来自不同团队的 CubeSat 通常捆绑在一起并作为辅助有效载荷发射。这意味着 CubeSat 在主要有效载荷的所有者方便时发射，但乘坐经济舱可以节省资金并将发射成本分摊到许多参与者身上。此外，正如肯塔基州科学技术公司总裁兼创始人 Kris W. Kimel 解释的那样，CubeSat 的低成本“让你可以失败，也让你能够创新。这是创业精神的关键。”低成本在整个设计和部署过程中创造了更高的失败容忍度：对于 CubeSat 来说，在发射台上爆炸或一旦进入太空就拒绝部署的损失较小。（而且确实会发生这种情况：2006 年的火箭故障中损失了 14 颗 CubeSat，另有 9 颗 CubeSat 与地面站没有或只有有限的联系。）“如果你损失了一颗，你不会高兴，”Kimel 说。“但这不像你损失了 500 万美元。”相比之下，传统卫星“太大而不能失败”，Pumpkin 总裁兼首席技术架构师 Andrew Kalman 说。
一些任务更进一步地采取了这种态度：他们故意将 CubeSat 置于自毁轨道中以生成有趣的数据。“CubeSat 可以去它们无法长期生存的地方，”Puig-Suari 指出。“我可以制造一颗一次性卫星，我可以有效地将其放置在危险的位置。你不仅可以容忍失败，还可以为失败而设计并利用它。”
Twiggs 帮助设计的任务中有两个例子可以说明这种方法。第一个是欧洲、亚洲和美国团队合作的 QB50。该联盟将在热层上边缘发射 50 颗双立方体 CubeSat。在几个月的时间里，随着大气摩擦减缓卫星速度，它们的轨道将衰减，它们将收集关于热层化学成分、密度和温度的信息，直到它们最终坠落到地球。
第二个例子是一个名为极地轨道被动大气校准球的任务。它将发射三颗 3U CubeSat，以测量太阳耀斑对地球大气层的加热。当卫星飞过极地大气层时，科学家们将观察它们的轨道如何衰减，并期望了解如何更好地预测热层与太阳活动之间的关系。
CubeSat 的小尺寸及其相对较弱的通信系统仍然对单个航天器收集大量有趣数据的能力施加了严格的限制。这就是大多数任务都是双立方体或三立方体的原因之一，也是为什么科学家们现在正在试验部署 CubeSat 网络的原因，在这些网络中，卫星能够协调和协同工作，就像鸟群和迁徙的方式非常相似。开发人员正在研究星间通信、允许编队飞行的系统，甚至长达数公里的系绳，以保持卫星连接在一起。最后，国防高级研究计划局正在资助一个价值 7500 万美元的 CubeSat 网络研究项目，以了解在何种情况下 CubeSat 可以取代传统卫星。稳定的 CubeSat 星座甚至可以替代大型仪器：犹他州立大学的名誉教授 Gil Moore 设想能够“建立大型、稀疏的阵列，这些阵列将完成哈勃和韦伯太空望远镜所做的事情。”
为了进一步扩展 CubeSat 的功能，麻省理工学院的 Paulo Lozano 开发了一种微型电子推进系统，该系统将使 CubeSat 能够被操纵。其他人正在研究打印 CubeSat 组件，这将降低成本。
最终，Kalman 说，科学家们将能够像对待个人电脑一样对待 CubeSat：它们将成为“人们可以构建自己的应用程序的基础”。CubeSat 可能成为太空科学领域的个人电脑——廉价、灵活、商品化和标准化——这种想法暗示了最终的，甚至可能更具革命性的作用：使业余爱好者能够进入太空。这可能会比预期更早到来：加利福尼亚州莫哈韦沙漠的太空初创公司 Interorbital Systems 计划提供 CubeSat 套件和低于 1 万美元的近地轨道发射服务。“业余爱好者将有机会参与，”Puig-Suari 说。“人们将开始建造他们自己的迷你哈勃望远镜。”