4.2.2  创建约束 26

4.2.3  创建接触和力 28

4.3  仿真结果分析 31

结  论 39

致  谢 40

参考文献41

1  引言

1.1  立方体纳卫星概述

1999年，美国加州理工学院与斯坦福大学通过了一项科学研究项目，使得立方体纳卫星(CubeSat，简称立方星，如图1.1所示)成为了微纳卫星的一项通用标准[1]。立方星是以“U”为单位进行划分的，1U是指尺寸为10x10x10cm，质量大约为1.3千克的一个标准单元，输出功率仅相当于普通手机。根据任务需求的不同，也可以将立方星在一个轴或多个轴上进行扩展，形成双单元（2U）、三单元(3U)，甚至于六单元(6U)的立方星。历经几年的研究发展，最早的立方体纳卫星是在2003年6月30日发射，包括美国的“地震卫星”（QuakeSat）立方体卫星、日本东京工业大学立方体工程试验卫星-1（CUTE-1）等在内的共6颗卫星。斯坦福大学的Bob Twiggs确定了卫星的边长为10cm，来保证卫星表面电池片面积可以提供充足的电能，加州理工学院的Jordi Puig-Suari设计了一种被称为P-POD的装置，如图1.2所示，入轨后P-POD装置用弹簧将卫星弹射出去，使得CubeSat成为一颗纳卫星(一般指10kg以下卫星)[4]。

微纳卫星是航天领域内的一项伟大创举，是航天事业的一个重要里程碑。微纳卫星技术是高新技术集成的产物，它的诞生、发展和技术的进步，一贯都是在大学的主导下进行的。这种卫星重量轻、体积小，能够搭载一定体积的载荷进行相应的科学试验，并且价格低廉[4]。它的出现为现代通讯、航天与资源等众多行业的发展预示了新的前景，当代战争的侦查、通信和决策系统也将因此而日新月异。因此，它在航天领域的发展越来越迅速、应用也越来越广泛。

 图 1.1  一单元立方体纳星及其内部结构   

图 1.2  P-POD星箭分离装置

立方体纳卫星的主要特点如下：（1）轻量化、轻小型化、低成本和低功耗；（2）一体化、模块化和标准化，功能扩展性强；（3）可快速组网、分散部署和生存能力强；（4）使用灵活并且可以及时发射[5]。

立方星的主要用途包括：科学试验、探索研究、星间或星地通信以及卫星组网等[6]。立方体纳卫星运行在地球低轨道，拥有较高的空间分辨率，组网后可提高近地轨道的长时间监视和侦察能力。同时，在低轨道上数据延迟时间和传输过程过的损耗会减少，因此在低轨道上立方星的适应能力、寿命以及灵活性更强，正是因为这样可以通过立方星在全球范围内组成网络系统来实现全面通信。

在对地球大气层的研究中，人类对低热层（90-380km）的探测最少，如图1.3所示，主要原因是：1)高轨地球观测卫星携带有功能强大的遥感设备，依靠接收大气中不同高度成分的反射信号，可对低至100km的热层进行测量，但是由于低热层空气稀薄，反射信号极其微弱，高轨地球观测卫星并不是低热层的理想探测工具；2)地基激光雷达和微波雷达对空观测也存在同样问题，微弱的反射信号使得对低热层探测很困难；3)探测火箭可用于对整个低热层进行在轨测量，但火箭的飞行时间仅有几分钟，而且一年内飞行次数有限，且每次仅能对低热层的一个局部进行在轨测量；4)已经发射的大气探测器都运行在较高的椭圆轨道(200km-3000km)上，对380km以下区域的观测时间仅仅只有几十分钟。鉴于以上问题，欧洲委员会下属第七框架协议的QB50项目准备同时发射50颗两或三单元的CubeSat(如图1.4所示)对人类探测最少的低热层进行探测。QB50工程是我国首次参加的cubesat项目。该项目是由比利时冯卡门流体力学研究所(VKI，Von Karman Institute of Fluid Dynamics)牵头，欧盟第七框架出资，利用全球50颗立方星在轨、多点、长时间探测地球低热层大气组成的科学研究项目【5】。冯卡门流体力学研究所负责QB50项目组织协调，科学实验任务设计，卫星发射和测控管理等。所有50颗立方星已于2015年9月由我国长征系列运载火箭发射入轨[6]。