キューブサット

キューブサットは、10cm（3.9インチ）立方体の小型衛星の一種である。 ^[1]キューブサットの質量は1機あたり2kg（4.4ポンド）以下であり、^[2]電子機器や構造には市販の（COTS）部品が使用されることが多い。キューブサットは国際宇宙ステーションから軌道上に展開されるか、ロケットの二次ペイロードとして打ち上げられる。^[3] 2023年12月現在、2,300機以上のキューブサットが打ち上げられている。^{[4][アップデート]}

1999年、カリフォルニア工科州立大学（Cal Poly）のジョルディ・プッチ＝スアリ教授とスタンフォード大学宇宙システム開発研究所のボブ・トウィッグス教授は、科学研究や新しい宇宙技術の探究を行う低軌道（LEO）向けの小型衛星の設計、製造、試験に必要な技術の促進と開発を目的として、CubeSatの仕様を策定した。2013年まではCubeSatの打ち上げの大部分は学術機関によるものだったが、2013年には打ち上げの半数以上が非学術目的となり、2014年までに新たに配備されたCubeSatのほとんどが商業用またはアマチュアプロジェクト用となった。^[3]

機能には通常、小型化できる実験や、地球観測やアマチュア無線などの目的に使用できる実験が含まれます。キューブサットは、小型衛星向けの宇宙船技術や、実現可能性に疑問があり、大型衛星のコストを正当化できない宇宙船技術を実証するために使用されます。キューブサットは低コストで高いリスクを正当化できるため、基礎理論が証明されていない科学実験もキューブサットに搭載されることがあります。生物学研究ペイロードはいくつかのミッションで飛行しており、さらに計画されています。^[6]月やそれ以降のいくつかのミッションでは、キューブサットの使用が計画されています。^[7]深宇宙に初めて打ち上げられたキューブサットは、2018年5月に成功したインサイトミッションと並行して、2機のキューブサットが火星に向けて打ち上げられたマルコミッションで飛行しました。^[8]

いくつかのキューブサットは、大学、国営企業、民間企業によって打ち上げられ、各国初の衛星となった。検索可能なナノサテライトおよびキューブサットデータベースには、1998年以降に打ち上げられた、または打ち上げが予定されている4,000以上のキューブサットが掲載されている。^[4]

カリフォルニア工科大学のジョルディ・プイグ・スアリ教授とスタンフォード大学のボブ・トウィッグス教授は、 1999年にキューブサットのリファレンスデザインを提案しました^{[9] [10] : 159。}その目的は、大学院生が最初の宇宙船スプートニクと同様の機能を備えた宇宙船を設計、構築、テスト、運用できるようにすることです。キューブサットは、当初提案されたように、標準となることを目指したものではなく、むしろ、出現のプロセスによって時間の経過とともに標準になりました。最初のキューブサットは2003年6月にロシアのユーロコットで打ち上げられ、2012年までに約75機のキューブサットが軌道に乗りました。^[11]

このような小型衛星の必要性は、スタンフォード大学の宇宙システム開発研究所で行われた研究の結果として、1998 年に明らかになりました。SSDL では、1995 年から学生が OPAL (Orbiting Picosatellite Automatic Launcher) 超小型衛星の開発に取り組んでいました。OPAL の娘船「ピコ衛星」を展開するというミッションは、「絶望的に複雑」で「ほとんどの場合」しか機能しないランチャー システムの開発につながりました。プロジェクトの遅延が拡大したため、Twiggs はDARPA の資金援助を求め、その結果、衛星をバネ仕掛けのドアで固定する単純なプッシャー プレート コンセプトに打ち上げ機構を再設計しました。^{[10] : 151–157}

OPALで経験した開発サイクルを短縮したいという希望と、OPALが搭載した小型衛星に触発されたトゥイッグスは、「実用的な衛星でありながら、サイズをどの程度まで縮小できるか」を模索し始めた。OPALの小型衛星は10.1cm×7.6cm×2.5cm（4インチ×3インチ×1インチ）で、宇宙船のすべての面を太陽電池で覆うのに適さないサイズだった。店頭でビーニーベイビーを陳列するのに使用される4インチ（10cm）の立方体のプラスチック箱に触発され、 ^[6]トゥイッグスはまず、新しいキューブサットのコンセプトのガイドラインとして、より大きな10cmの立方体に落ち着いた。改良されたOPALランチャーで使用されていたのと同じプッシャープレートのコンセプトを使用して、新しい衛星用のランチャーのモデルが開発された。トゥイッグスは1999年の夏にプイグ・スアリにこのアイデアを提示し、その後1999年11月に日米科学技術宇宙応用計画（JUSTSAP）会議で発表した。^{[10] : 157–159}

「CubeSat」という用語は、CubeSat設計仕様書に記載されている基準に準拠するナノ衛星を表すために作られた。カリフォルニア工科大学は、航空宇宙工学教授のジョルディ・プイグ＝スアリ氏の主導のもと、この基準を公表した。 ^{[12]スタンフォード大学航空宇宙学部の} ボブ・トゥイッグス氏は、現在ケンタッキー州モアヘッド州立大学の宇宙科学教授であり、CubeSatコミュニティに貢献している。^[13]彼の取り組みは、教育機関のCubeSatに焦点を当てている。^[14]この仕様は、CubeSatよりわずかに大きいNASAの「MEPSI」ナノ衛星など、他の立方体のようなナノ衛星には適用されない。GeneSat-1は、NASAのこのサイズの衛星で行われた初の完全自動化、自己完結型の生物学的宇宙飛行実験であった。また、米国で打ち上げられた初のCubeSatでもあった。 NASAエイムズ研究所のジョン・ハインズが率いたこの研究は、NASAキューブサット計画全体のきっかけとなった。^[15]

2017年、この標準化の取り組みにより、国際標準化機構（ ISO）はISO 17770:2017を発行しました。^[16]この規格は、CubeSatの物理的、機械的、電気的、および運用上の要件を含む仕様を定義しています。^[17]また、CubeSatと打ち上げロケット間のインターフェースの仕様も提供しており、打ち上げ中および打ち上げ後の環境条件に耐えるために必要な機能がリストされ、衛星を放出するために使用される標準的な展開インターフェースが説明されています。多数の宇宙船で共有される標準の開発は、CubeSatミッションの開発時間とコストの大幅な削減に貢献します。

CubeSat 仕様は、いくつかの高レベルの目標を達成します。衛星を小型化する主な理由は、展開コストを削減することです。衛星は、大型の打ち上げロケットの余剰容量を使用して、複数で打ち上げるのに適していることがよくあります。CubeSat の設計は、特に、打ち上げロケットとペイロードの残りの部分へのリスクを最小限に抑えます。ランチャーとペイロードのインターフェイスをカプセル化することで、以前はピギーバック衛星をランチャーに結合するために必要だった作業量がなくなります。ペイロードとランチャーの統合により、ペイロードを迅速に交換し、短期間で打ち上げ機会を活用できるようになります。

標準的なキューブサットは、10 cm × 10 cm × 11.35 cm (3.94 インチ × 3.94 インチ × 4.47 インチ) のユニットで構成され、10 cm × 10 cm × 10 cm (3.9 インチ × 3.9 インチ × 3.9 インチ) または 1 L (0.22 英ガロン、0.26 米ガロン) の有効容積を提供するように設計されており、各ユニットの重量は 2 kg (4.4 ポンド) 以下です。^[2]最小の標準サイズは 1U で、単一のユニットで構成されていますが、最も一般的なフォームファクターは 3U で、これまでに打ち上げられたすべてのナノ衛星の 40% 以上を占めています。^{[18] [19]} 6U や 12U などのより大きなフォームファクターは、3U を並べて積み重ねたものです。^[2] 2014年には、海洋監視用に当時最大であった6UのペルセウスMキューブサット2機が打ち上げられた。2018年の火星キューブワン（MarCO）ミッションでは、火星に向けて6Uのキューブサット2機が打ち上げられた。^{[20] [21]}

より小型で非標準的なフォームファクタも存在します。エアロスペースコーポレーションは、放射線測定と技術実証のために0.5Uの小型キューブサット2機を製造し打ち上げました。^[22]一方、スウォームテクノロジーズは、IoT通信サービスのために100機を超える0.25Uキューブサットのコンステレーションを構築し展開しました。 ^{[23] [24]}

ほぼすべてのキューブサットは10cm×10cm（3.9インチ×3.9インチ）（長さに関係なく）であるため、カリフォルニア工科大学が開発・製造したポリピコサテライト軌道展開装置（P-POD）と呼ばれる共通の展開システムを使用して打ち上げ、展開することができます。^[25]

CubeSat 設計仕様では、電子機器のフォーム ファクタや通信プロトコルは指定も要求もされていませんが、COTS ハードウェアは、多くの人が CubeSat 電子機器の標準として扱う特定の機能を一貫して使用しています。ほとんどの COTS およびカスタム設計された電子機器は、 CubeSat用に設計されたものではないが、宇宙船の容積の大部分を占めることができる 90 mm × 96 mm (3.5 インチ × 3.8 インチ) のプロファイルを備えた PC/104 のフォームに適合しています。技術的には、PCI-104 フォームは使用されている PC/104 のバリエーションであり^[26]、実際に使用されているピン配置は PCI-104 標準で指定されたピン配置を反映していません。ボード上のスタックスルー コネクタにより、組み立てと電気インターフェイスが簡単になり、CubeSat 電子機器ハードウェアのほとんどのメーカーは同じ信号配置を維持していますが、一部の製品はそうではないため、損傷を防ぐために一貫した信号と電源の配置を確保するように注意する必要があります。^[27]

電子機器の選択には、機器が存在する放射線に耐えられるかどうかに注意する必要がある。大気圏再突入が数日または数週間で起こる超低軌道（LEO）では、放射線はほぼ無視でき、標準的な民生用電子機器を使用できる。シングルイベントアップセット（SEU）の可能性は非常に低いため、民生用電子機器はその間LEO放射線に耐えることができる。数か月または数年にわたって持続的に低軌道を周回する宇宙船は危険にさらされており、放射線環境向けに設計され、放射線環境でテストされたハードウェアのみを飛行させる。低軌道を超えるミッションや、低軌道に何年も留まるミッションでは、耐放射線性デバイスを使用する必要があります。^[28]昇華、ガス放出、金属ウィスカーの影響によりミッションが失敗する可能性があるため、高真空での動作についてはさらに考慮する必要があります。^[29]

結合されたユニットの数によってCubeSatのサイズが分類され、CubeSat設計仕様によれば、 0.5U、1U、1.5U、2U、または3Uの形状に適合するように1つの軸に沿ってのみ拡張可能です。CubeSatの標準サイズはすべて構築および打ち上げられており、2015年時点で打ち上げられたほぼすべてのCubeSatのフォームファクターを表しています。^[30]構造に使用される材料は、詰まりを防ぐために展開装置と同じ熱膨張係数を備えている必要があります。具体的には、許可されている材料は、7075、6061、5005、および5052の4つのアルミニウム合金です。P - PODに接触する構造に使用されるアルミニウムは、冷間圧接を防ぐために陽極酸化処理する必要があり、免除が得られれば構造に他の材料を使用できます。^{[19]冷間圧接以外にも、すべての材料が}真空で使用できるわけではないため、材料の選択にはさらなる考慮が払われます。構造の両端には、P-POD 内の他の CubeSat への衝突の影響を軽減するために、通常はゴム製の柔らかいダンパーが装備されていることが多いです。

最大寸法を超える突出は、標準仕様で各側面から最大 6.5 mm (0.26 インチ) まで許可されています。突出は展開レールに干渉してはならず、通常はアンテナと太陽電池パネルが占めます。CubeSat 設計仕様の改訂 13 では、3U プロジェクトで使用するために追加の使用可能容積が定義されました。追加の容積は、通常 P-POD Mk III のスプリング機構で無駄になっているスペースによって可能になります。このスペースを利用する 3U CubeSat は 3U+ と指定され、CubeSat の一端を中心とした円筒形の容積にコンポーネントを配置できます。円筒形の空間は、最大直径が 6.4 cm (2.5 インチ)、高さが 3.6 cm (1.4 インチ) 以下で、3U の最大値である 4 kg (8.8 ポンド) を超える質量の増加は許可されません。推進システムとアンテナは、追加の容積を必要とする可能性のある最も一般的なコンポーネントですが、ペイロードがこの容積まで及ぶこともあります。寸法と質量の要件からの逸脱は、打ち上げサービスプロバイダーへの申請と交渉によって免除される可能性がある。^[19]

CubeSatの構造は、大型衛星のような強度上の懸念は全くありません。なぜなら、CubeSatには打ち上げ時に展開装置が構造的に支えてくれるという利点があるからです。^[31]それでも、一部のCubeSatは、P-PODで支えられていない部品が打ち上げ中も構造的に健全な状態を保つように、振動解析や構造解析を受けます。 ^[32]大型衛星のような解析を受けることはめったにありませんが、CubeSatが機械的な問題で故障することはめったにありません。^[33]

より大型の衛星と同様に、CubeSat には、姿勢制御(方向)、電力管理、ペイロード操作、および主要な制御タスクを含む、さまざまなタスクを並行して処理する複数のコンピューターが搭載されていることがよくあります。 COTS 姿勢制御システムには、通常、電力管理システムと同様に独自のコンピューターが含まれています。 ペイロードが有用であるためには、プライマリ コンピューターとインターフェイスできる必要があり、そのためには別の小型コンピューターの使用が必要になる場合があります。 これは、限られた通信プロトコルでペイロードを制御するプライマリ コンピューターの能力に制限があるため、生データの処理でプライマリ コンピューターが過負荷になるのを防ぐため、または通信など、宇宙船の他のコンピューティング ニーズによってペイロードの操作が中断されないようにするためである可能性があります。 それでも、プライマリ コンピューターは、画像処理、データ分析、およびデータ圧縮などのペイロード関連のタスクに使用される場合があります。 プライマリ コンピューターが通常処理するタスクには、他のコンピューターへのタスクの委任、姿勢制御、軌道操作の計算、スケジュール設定、およびアクティブ熱制御コンポーネントのアクティブ化があります。 CubeSat のコンピューターは放射線の影響を非常に受けやすいため、製造者は宇宙の高放射線環境でも適切に動作するようにECC RAMの使用などの特別な措置を講じます。衛星によっては、複数の主要コンピューターを実装して冗長性を組み込む場合があります。これは、重要なミッションでミッション失敗のリスクを軽減するために行うことができます。NASAのPhoneSatなど、一部の CubeSat では、消費者向けスマートフォンがコンピューティングに使用されています。

CubeSat の姿勢制御(方向) は、大幅な性能低下のない小型化技術に依存しています。通常、CubeSat が展開されるとすぐに、非対称の展開力と他の CubeSat との衝突により、タンブルが発生します。一部の CubeSat はタンブル中でも正常に動作しますが、特定の方向を向く必要があるものや、回転中に安全に動作できないものは、タンブルを解除する必要があります。姿勢の決定と制御を実行するシステムには、リアクション ホイール、磁気トルク発生装置、スラスタ、スタートラッカー、太陽センサー、地球センサー、角速度センサー、GPS 受信機とアンテナなどがあります。通常、これらのシステムを組み合わせて、各方法の利点を生かし、欠点を軽減します。リアクション ホイールは、与えられたエネルギー入力に対して比較的大きなモーメントを与えることができるため、一般的に使用されていますが、ホイールがそれ以上速く回転できなくなる飽和点のために、リアクション ホイールの有用性は制限されます。 CubeSatのリアクションホイールの例としては、メリーランド航空宇宙社のMAI-101 ^[34]やシンクレア・インタープラネタリー社のRW-0.03-4 ^[35]などがある。リアクションホイールは、スラスタや磁気トルカーを使用して脱飽和させることができる。スラスタは宇宙船にカップルを与えることで大きなモーメントを提供できるが、小型推進システムの非効率性によりスラスタの燃料が急速に枯渇する。ほぼ全てのCubeSatに共通して見られるのは磁気トルカーで、コイルに電気を流して地球の磁場を利用して回転モーメントを生み出す。姿勢制御モジュールと太陽電池パネルには通常、磁気トルカーが組み込まれている。デタンブルのみが必要なCubeSatの場合、角速度センサーや電子ジャイロスコープ以外の姿勢決定方法は必要ありません。

地球観測、軌道操作、太陽エネルギーの最大化、および一部の科学機器には、特定の方向を向くことが必要である。方向の指向精度は、地球とその地平線、太陽、または特定の星を感知することによって達成できる。シンクレア・インタープラネタリー社のSS-411太陽センサー^[36]とST-16スタートラッカー^[37]はどちらもCubeSatに応用でき、飛行実績がある。パンプキン社のコロニーIバスは、受動的な姿勢安定化のために空力翼を使用している。^[38] CubeSatの位置の特定は、CubeSatとしては比較的高価なオンボードGPSを使用するか、地球ベースの追跡システムからレーダー追跡データを機体に中継することによって行うことができる。

CubeSatの推進は、冷ガス、化学推進、電気推進、ソーラーセイルの分野で急速な進歩を遂げてきました。CubeSatの推進における最大の課題は、重要な機能を提供しながら、打ち上げロケットとその主要ペイロードへのリスクを防ぐことです。 ^[39]大型衛星で一般的に使用されるコンポーネントと方法は禁止または制限されており、CubeSat設計仕様（CDS）では、1.2 atm（120 kPa）を超える加圧、100 Whを超える蓄積化学エネルギー、および危険物質の免除が求められています。^[19]一般的な宇宙推進システムは高圧、高エネルギー密度、および危険物質の組み合わせを利用するため、これらの制限はCubeSatの推進システムにとって大きな課題となります。打ち上げサービスプロバイダーによって設定された制限を超えて、さまざまな技術的課題がCubeSatの推進の有用性をさらに低下させます。ジンバル推力は、ジンバル機構の複雑さのため小型エンジンでは使用できないため、推力偏向は、代わりに複数ノズル推進システムで非対称に推力をかけるか、作動部品を使用してCubeSatの形状に対する質量中心を変更することによって達成する必要がある。^{[40]小型モーターには、}ランデブーなどの精密操作に重要な、最大推力よりも小さい推力を可能にするスロットリング方法の余地がない場合もある。^[41]より長い寿命を必要とするCubeSatも推進システムの恩恵を受け、軌道維持に使用すると、推進システムは軌道の減衰を遅らせることができる。

コールドガススラスタは通常、加圧タンクに窒素などの不活性ガスを貯蔵し、ノズルからガスを放出して推力を発生させます。ほとんどのシステムでは、操作は単一のバルブで処理されるため、コールドガスは最もシンプルで有用な推進技術です。^{[42]コールドガス推進システムは、使用するガスが揮発性または}腐食性である必要がないため、非常に安全ですが、一部のシステムでは二酸化硫黄などの危険なガスを使用しています。^[43]不活性ガスを使用できることは、通常、危険物が制限されているCubeSatにとって非常に有利です。不活性ガスを使用した場合、低い性能しか達成できず、^[42]低質量のCubeSatであっても高インパルス操作ができません。この低性能のため、CubeSatでの主推進用としての使用は制限されており、設計者は複雑さがわずかに増加するだけで、より効率の高いシステムを選択します。コールドガスシステムは、CubeSatの姿勢制御でより頻繁に使用されています。

化学推進システムは、化学反応を利用して高圧高温のガスを生成し、ノズルから加速して排出する。化学推進剤は、液体、固体、またはその両方のハイブリッドである。液体推進剤は、触媒を通した一元推進剤、または酸化剤と燃料を燃焼させる二元推進剤である。一元推進剤の利点は、比較的複雑さが低く推力出力が高く、電力要件が低く、信頼性が高いことである。一元推進剤モーターは、比較的単純でありながら推力が高く、信頼性も高い傾向がある。これらのモーターは、電力要件が低く、単純であるために非常に小型化できるため、CubeSatには実用的である。小型のヒドラジン燃料モーターが開発されているが、^[44] CubeSat設計仕様で定められた有害化学物質の制限により、飛行に免除が必要になる可能性がある。^[19]有害化学物質免除を必要としないより安全な化学推進剤が開発されており、AF-M315（硝酸ヒドロキシアンモニウム）などのモーターが設計中または設計済みである。^{[44] [45]}「水電気分解スラスタ」は技術的には化学推進システムであり、軌道上で水を電気分解して生成した水素と酸素を燃焼させる。^[46]

CubeSatの電気推進では通常、電気エネルギーを使用して推進剤を高速に加速し、高い比推力を実現します。これらの技術の多くは、ナノ衛星で使用できるほど小型化でき、いくつかの方法が開発中です。現在CubeSatで使用するために設計されている電気推進の種類には、ホール効果スラスタ、^[47] イオンスラスタ、^[48] パルスプラズマスラスタ、^[49] エレクトロスプレースラスタ、^[50]およびレジストジェットがあります。^{[51] NASAの}Lunar IceCubeなど、いくつかの注目すべきCubeSatミッションでは、電気推進を使用する予定です。^[52]電気推進に伴う高効率により、CubeSatは火星まで自力で移動できるようになります。^[53]電気推進システムは電力の使用において不利な点があり、CubeSatにはより大きな太陽電池、より複雑な電力配分、そして多くの場合より大きなバッテリーが必要になります。さらに、多くの電気推進方法では、推進剤を貯蔵するための加圧タンクが依然として必要になる可能性があり、これは CubeSat 設計仕様によって制限されています。

ESTCube -1 は、固体材料の代わりに電磁場を利用して帆として機能する電気太陽風帆を使用しました。この技術は、電界を使用して太陽風から陽子を偏向させ、推進力を生み出します。これは、宇宙船が動作するために電力を供給するだけでよいという点で、電気力学的テザーに似ています。

ソーラーセイル （光帆または光子帆とも呼ばれる）は、 恒星からの放射圧 （太陽圧とも呼ばれる）を使用して大型の超薄型ミラーを高速で押し出す宇宙船の推進方式で、推進剤を必要としません。ソーラーセイルからの力は帆の面積に比例するため、帆はCubeSatでの使用に適しています。これは、帆の質量が小さいため、所定のソーラーセイル面積に対してより大きな加速が得られるためです。ただし、ソーラーセイルは衛星に比べてかなり大きくする必要があり、有効なソーラーセイルを展開する必要があり、機械的な複雑さが増し、故障の原因となる可能性があります。この推進方法は、高圧、危険物質、または大きな化学エネルギーを必要としないため、CubeSat設計仕様で設定された制限に悩まされない唯一の方法です。2010年に打ち上げられた3U NanoSail-D2や2015年5月のLightSail-1など、少数のCubeSatが、深宇宙での主推進力と安定性としてソーラーセイルを採用しています。

ライトセイル2号は2019年にファルコン・ヘビーロケットで正常に展開されたが、^{[54] [55]、 2022年11月に}スペース・ローンチ・システムの最初の飛行（アルテミス1号）で打ち上げられる予定だったキューブサットの1つは、ソーラーセイルを使用する予定だった。地球近傍小惑星スカウト（NEAスカウト）である。^[56]キューブサットは2日以内に通信が確立されなかったため、失われたと宣言された。^[57]

キューブサットは太陽電池を使用して太陽光を電気に変換し、充電式リチウムイオン電池に蓄え、日食時やピーク負荷時に電力を供給します。^[58]これらの衛星は、太陽電池を組み立てるための外壁の表面積が限られているため、アンテナ、光学センサー、カメラレンズ、推進システム、アクセスポートなどの他の部品と効果的に共有する必要があります。リチウムイオン電池はエネルギー対質量比が高いため、質量制限のある宇宙船での使用に適しています。バッテリーの充電と放電は通常、専用の電力システム (EPS) によって処理されます。バッテリーにはヒーターが装備されている場合もあります^[59]。これは、バッテリーが危険な低温に達してバッテリーやミッションの障害を引き起こすのを防ぐためです。^[60]

バッテリーの劣化速度は、充電と放電のサイクル数と各放電の深さに依存します。平均放電深さが大きいほど、バッテリーの劣化は速くなります。LEO ミッションの場合、放電サイクル数は数百回程度になると予想されます。

サイズと重量の制約により、機体にソーラーパネルを取り付けて低軌道を飛行する一般的なキューブサットは、10 W 未満しか発電していない。^{[61]より高い電力要件のあるミッションでは、}姿勢制御を利用してソーラーパネルが太陽に対して最も効果的な方向を維持できるようにし、さらに電力需要を満たすには、展開可能なソーラーアレイを追加して方向付けることで対応できる。展開可能なソーラーアレイは、軌道上でかなり広い領域に展開できる。最近の技術革新には、衛星が放出されるとすぐに展開する追加のスプリング式ソーラーアレイや、コマンドでパネルを展開するサーマルナイフ機構を備えたアレイなどがある。キューブサットは、打ち上げから展開までの間は電源を入れることができず、 P-POD への積み込み中に動作しないようにすべての電力をカットする飛行前取り外しピンを備えている必要がある。さらに、宇宙船が P-POD に積み込まれている間に展開スイッチが作動し、宇宙船への電力がカットされ、P-POD から出ると非アクティブになる。^[19]

キューブサットの低コスト化により、小規模な機関や組織でも前例のない宇宙へのアクセスが可能になりましたが、ほとんどのキューブサットでは、通信アンテナの範囲と利用可能な電力が約2Wに制限されています。^[62]

回転と低出力範囲のため、無線通信は困難です。多くのCubeSatは、市販の巻尺で作られた全方向性 モノポールまたはダイポールアンテナを使用しています。より要求の厳しいニーズのために、いくつかの企業はCubeSat用の高利得アンテナを提供していますが、その展開と指向システムははるかに複雑です。^[62]たとえば、MITとJPLは、昇華粉末で膨らませたマイラースキンをベースにした膨張式皿アンテナを開発しており、範囲が7倍に向上し、月に到達できる可能性があると主張していますが、微小隕石衝突後の生存性に関する疑問が残っています。^{[63] JPLは、} MarCO ^{[64] [65]}およびRadar in a CubeSat（RaInCube ）ミッション用のXバンドおよびKaバンド高利得アンテナの開発に成功しました。^{[65] [66] [67]}

従来、低軌道キューブサットはUHFおよびSバンドでの通信目的でアンテナを使用しています。太陽系のさらに遠くまで探検するには、深宇宙ネットワーク（XバンドおよびKaバンド）と互換性のあるより大きなアンテナが必要です。JPLのエンジニアは、MarCO [64] [69]および地球近傍小惑星スカウト[70]用の6Uクラスのキューブサット[68]と互換性のある展開可能な高利得アンテナをいくつか開発しまし^た。JPLのエンジニア^はまた、 Kaバンドで動作し、1.5Uの収納容積に折りたためるDSN ^{[64] [69] [71]}と互換性のある0.5m（1フィート8インチ）のメッシュ反射アンテナも開発しました。 MarCOのために、JPLのアンテナエンジニアは、6Uキューブサットバスに収まる折り畳みパネル反射アレイ（FPR）^[72]を設計し、1AUで8kbit/sのXバンド火星から地球への通信をサポートしました。

CubeSat の各コンポーネントにはそれぞれ許容温度範囲が異なり、その範囲を超えると一時的または永久的に動作不能になる場合があります。軌道上の衛星は、太陽から直接放射され地球に反射される放射熱と、宇宙船のコンポーネントによって生成される熱によって加熱されます。CubeSat は、宇宙に熱を放射するか、地球の表面が宇宙船よりも冷たい場合は、地球の表面に熱を放射して冷却する必要があります。CubeSat の軌道と日食の時刻がわかっている限り、これらの放射熱源とシンクはすべてかなり一定で、非常に予測可能です。

CubeSat で温度要件を満たすために使用されるコンポーネントには、多層断熱材やバッテリーのヒーターなどがあります。小型衛星におけるその他の宇宙船の熱制御技術には、それらのコンポーネントの予想される熱出力に基づいた特定のコンポーネントの配置や、まれにルーバーなどの展開された熱デバイスなどがあります。宇宙船の熱モデルの分析とシミュレーションは、熱管理コンポーネントと技術を適用する上で重要な決定要因です。特定の展開メカニズムやペイロードに関連することが多い特別な熱上の懸念がある CubeSat は、打ち上げ前に熱真空チャンバーでテストされる場合があります。CubeSat は熱真空チャンバー内に全体が収まるほど小さいため、このようなテストではフルサイズの衛星よりも高いレベルの保証が得られます。温度センサーは通常、CubeSat のさまざまなコンポーネントに配置されているため、危険な温度範囲を回避するための措置を講じることができます。たとえば、特定の部分への直接的な熱放射を回避または導入するために宇宙船の向きを変えて、冷却または加熱できるようにします。

CubeSatは、ペイロードを軌道に乗せるための費用対効果の高い独立した手段です。^[12] Interorbital Systemsなどの低コストの打ち上げ機の遅れにより、^[73]打ち上げ価格は1台あたり約10万ドルになりましたが、^{[74] [75]}新しい事業者はより低い価格を提供しています。^[76]フルサービス契約（エンドツーエンドの統合、ライセンス、輸送などを含む）で1Uキューブサットを打ち上げる典型的な価格は、2021年に約6万ドルでした。

キューブサットの中には、 LightSail-1のように複雑な部品や機器を搭載しているものもあり、その製造コストは数百万ドルに達するが^[77]、基本的な1Uキューブサットの製造コストは約5万ドルである。^[78]このため、キューブサットは一部の学校、大学、中小企業にとって現実的な選択肢となっている。

ナノサテライト＆キューブサットデータベースには、1998年以降に打ち上げられた2,000機以上のキューブサットが掲載されている。 ^[4]最も初期のキューブサット打ち上げの一つは、2003年6月30日にロシアのプレセツクからユーロコット・ローンチ・サービスのマルチ軌道ミッションで行われた。キューブサットは太陽同期軌道に投入され、デンマークのAAUキューブサットとDTUSat、日本のXI-IVとCUTE-1、カナダのCan X-1、米国のQuakesatが含まれていた。^[79]

2012年2月13日、7つのCubeSatを搭載した3つのP-POD展開装置が、フランス領ギアナから打ち上げられたVegaロケットに搭載されたLares衛星とともに軌道に投入された。打ち上げられたCubeSatは、 e-st@r Space（イタリア、トリノ工科大学）、Goliat（ルーマニア、ブカレスト大学）、MaSat-1（ハンガリー、ブダペスト工科経済大学）、PW-Sat（ポーランド、ワルシャワ工科大学）、Robusta（フランス、モンペリエ第2大学）、UniCubeSat-GG（イタリア、ローマ・ラ・サピエンツァ大学）、XaTcobeo（スペイン、ビーゴ大学およびINTA）である。CubeSatは、欧州宇宙機関の「Vega初飛行」の機会の一環として打ち上げられた。^[80]

2012年9月13日、ユナイテッド・ローンチ・アライアンスの アトラスVロケットに搭載された「OutSat」セカンダリペイロードの一部として、8つのP-PODから11個のキューブサットが打ち上げられた。^[81]これは、海軍大学院（NPS）で開発された新しいNPSキューブサットランチャーシステム（NPSCuL）によって可能になった、これまでで最大のキューブサット数（および24Uの最大容積）であり、単一の打ち上げで軌道に乗せられた。キューブサットは、SMDC-ONE 2.2（ベイカー）、SMDC-ONE 2.1（エイブル）、AeroCube 4.0（x3）、Aeneas、CSSWE、CP5、CXBN、CINEMA、およびRe（STARE）であった。^[82]

2012年10月4日、国際宇宙ステーションからの小型衛星放出の技術実証として、5機のCubeSat（Raiko、Niwaka、We-Wish、TechEdSat、F-1 ）が国際宇宙ステーションから軌道上に投入された。これらはこうのとり3号機の貨物として打ち上げられ、ISSに運ばれ、ISSの宇宙飛行士が日本実験棟のロボットアームに取り付けられた放出機構の準備を行った。 ^{[83] [84] [85]}

4機のキューブサットは、 2013年4月21日にオービタル・サイエンシズのアンタレスロケットの初飛行で打ち上げられたシグナス質量シミュレータから展開された。^[86]そのうち3機は、キューブサットの航空電子機器としてスマートフォンを使用することを実証するためにNASAのエイムズ研究センターによって製造された1Uのフォンサットである。4機目はプラネット・ラボによって製造された3Uの衛星Dove-1である。

2013年4月26日、NEE-01 Pegasoが打ち上げられ、軌道からライブビデオを送信できる最初のキューブサットとなり、また、設置容量として100ワットを超える電力を達成した最初の1Uキューブサットとなりました。同年11月後半には、NEE-02 Krysaorも軌道からライブビデオを送信しました。両方のキューブサットはエクアドル宇宙機関によって製造されました。

2014年2月11日、ISSから合計33機のキューブサットが打ち上げられた。この33機のうち28機は地球を撮影するキューブサット群Flock-1の一部であった。残りの5機のうち2機は米国を拠点とする他の企業製、2機はリトアニア製、1機はペルー製である。^[87]

ライトセイル1は、ソー​​ラーセイルで推進する3Uキューブサットのプロトタイプです。2015年5月20日にフロリダから打ち上げられました。4つのセイルは非常に薄いマイラーで作られており、総面積は^32m2 （340平方フィート）です。このテストにより、2016年のメインミッションの前に衛星のシステムを完全にチェックすることができます。^[88]

2015年10月5日、AAUSAT5（デンマーク、オールボー大学）がISSから放出されました。これは欧州宇宙機関の「Fly Your Satellite!」プログラムの一環として打ち上げられました。^[89]

小型X線太陽分光計キューブサットは、2015年12月6日に国際宇宙ステーションに打ち上げられ、2016年5月16日に放出された3Uの衛星です。これは、キューブサットを使った科学研究に重点を置くNASA科学ミッション局キューブサット統合パネル^[90]で打ち上げられた最初のミッションです。2016年7月12日現在、ミッションの最小成功基準（1か月の科学観測）は満たされていますが、宇宙船は引き続き正常に動作しており、観測は継続されています。^[91]

2016年4月25日、センチネル1BとともにソユーズロケットVS14でフランス領ギアナのクールーから3機のキューブサットが打ち上げられた。衛星はAAUSAT4（デンマーク、オールボー大学）、e-st@r-II（イタリア、トリノ工科大学）、OUFTI-1（ベルギー、リエージュ大学）であった。キューブサットは欧州宇宙機関の「Fly Your Satellite!」プログラムの一環として打ち上げられた。^[92]

2017年2月15日、インド宇宙研究機関（ISRO）は、1機のロケットで104機の衛星を打ち上げるという記録を樹立した。PSLV -C37の単一ペイロードの打ち上げでは、Cartosat-2シリーズと103機の共同搭乗衛星を含み、総重量は650kg（1,430ポンド）を超えた。104機の衛星のうち、3機を除いて全てがキューブサットであった。101機のナノ衛星のうち、96機は米国製で、イスラエル、カザフスタン、オランダ、スイス、アラブ首長国連邦からそれぞれ1機ずつ搭載された。^{[93] [94]}

2018年5月に打ち上げられた静止型火星着陸機インサイトには、火星への突入時と着陸時にインサイトから地球への追加の中継通信を提供するために火星を通過する2機のキューブサットが含まれていた。 ^[95]これは、地球の直接軌道外でのキューブサットの初飛行である。このミッションのキューブサット技術は、マーズキューブワン（MarCO）と呼ばれ、それぞれが14.4インチ×9.5インチ×4.6インチ（37cm×24cm×12cm）の6ユニットキューブサットである。MarCOは実験的なもので、インサイトのミッションに必須ではないが、重要な期間、この場合はインサイトの大気圏突入から着陸までの宇宙ミッションに中継通信を追加するためのものである。

MarCO は 2018 年 5 月にInSight着陸機とともに打ち上げられ、打ち上げ後に分離され、その後、独自の軌道で火星まで飛行しました。分離後、両方の MarCO 宇宙船は 2 つの無線アンテナと 2 つの太陽電池パネルを展開しました。高利得のX バンドアンテナは、電波を誘導するフラット パネルです。MarCO はInSight着陸機とは独立して火星まで航行し、飛行中に独自のコース調整を行いました。

2018年11月のインサイトの突入、降下、着陸（EDL）中、 ^[95]着陸機は上空を飛行するNASAの火星探査機（MRO）にUHF無線帯域でテレメトリを送信した。MROはXバンドの無線周波数を使用してEDL情報を地球に送信したが、別のバンドで送信している場合は同時に1つのバンドの情報を受信することはできない。着陸成功の確認は数時間後に地球で受信できるため、MarCOは着陸中のリアルタイムテレメトリの技術実証となった。^{[96] [97] [98]}

2010年に創設されたNASAのCubeSat打ち上げイニシアチブ^[99]は、教育機関、非営利団体、NASAセンターにCubeSatの打ち上げ機会を提供しています。2016年現在、^{[アップデート]}CubeSat打ち上げイニシアチブは、28の組織から12のELaNaミッションで46のCubeSatを打ち上げ、66の組織から119のCubeSatミッションを選択しました。教育用ナノ衛星打ち上げ（ELaNa）ミッションには、部族大学が製造した最初のCubeSatであるBisonSat、高校が製造した最初のCubeSatであるTJ3Sat、小学校が製造した最初のCubeSatであるSTMSat-1が含まれています。NASAは毎年8月に機会の発表^{[100]を行い、翌年の2月に選択を行います。 [101]}

NASAは2015年にキューブクエストチャレンジを開始しました。これは、低地球軌道を超えたキューブサットの使用におけるイノベーションを促進するためのコンテストです。キューブクエストチャレンジは、月の近くや月を越えて高度な運用が可能な飛行資格のある小型衛星の設計、構築、提供というチャレンジの目的を達成したチームに500万ドルを提供しました。チームは月軌道や深宇宙でさまざまな賞を競いました。^[102] 2022年に アルテミス1号に搭載され、二次ペイロードとして月近傍空間に打ち上げられた10のキューブサットは、さまざまなチームから提供されました。

「Fly Your Satellite!」は、欧州宇宙機関教育局が現在も実施しているCubeSatプログラムです。大学生は、ESAの専門家の支援を受けてCubeSatミッションを開発し、実施する機会を得ます。^[103]参加する学生チームは、CubeSatの設計、構築、テストから、最終的にはCubeSatの打ち上げと運用の可能性まで、サイクル全体を体験できます。^[104] Fly Your Satellite!プログラムの第4回は、2022年2月に提案の募集を締め切りました。^[105]

カナダ宇宙庁は2017年にカナダキューブサットプロジェクト（CCP）を発表し、参加チームは2018年5月に選出された。このプログラムは、各州および準州の1つの大学またはカレッジに資金と支援を提供し、ISSから打ち上げるキューブサットを開発する。CCPの目的は、学生に宇宙産業での直接的な実践経験を提供し、宇宙分野でのキャリアを積む準備をさせることである。^[106]

QB50は、下部熱圏（90～350 km）での多点のその場測定と再突入研究を目的とした、50機のキューブサットからなる国際ネットワークの提案である。QB50はフォン・カルマン研究所の取り組みであり、第7次フレームワークプログラム（FP7）の一環として欧州委員会から資金提供を受けている。2ユニット（2U）のキューブサット（10×10×20 cm）が開発され、1つのユニット（「機能」ユニット）が通常の衛星機能を提供し、もう1つのユニット（「科学」ユニット）が下部熱圏と再突入研究用の標準化されたセンサーセットを収容する。世界22か国の大学から35機のキューブサットが提供されることが想定されており、そのうち4機は米国、4機は中国、4機はフランス、3機はオーストラリア、3機は韓国から提供される。^[107] 2Uまたは3Uのキューブサット10機が、新しい宇宙技術の軌道上技術実証に使用されることが予想されています。

QB50キューブサットの提案依頼書（RFP）は2012年2月15日に発表された。2機の「前身」QB50衛星は2014年6月19日にドニエプルロケットで打ち上げられた。 ^{[108] 50機のキューブサットはすべて2016年2月に}サイクロン4ロケット 1機で同時に打ち上げられる予定だったが、 ^[109]ロケットが利用できなかったため、36機の衛星が2017年4月18日にシグナスCRS OA-7で打ち上げられ、その後ISSから展開された。^{[110] [111] 2017年5月には}PSLV-XL C38ミッションで他の12機のキューブサットが打ち上げられた。^{[112] [更新が必要]}

フルサイズの宇宙船とは異なり、キューブサットは国際宇宙ステーションに貨物として運ばれ、国際宇宙ステーションから展開される。これは、打ち上げロケットによる展開とは別に軌道に到達するための代替手段となる。ナノラックス社とメイド・イン・スペース社は、国際宇宙ステーションでキューブサットを建造する手段を開発している。^[113]

NASAのCubeSat打ち上げイニシアチブは、2016年までの数年間にELaNaミッションで46機以上のCubeSatを打ち上げ、今後数年間で57機の打ち上げが計画されている。^[114] CubeSatがいかに安価で多用途であっても、はるかに大きな宇宙船を打ち上げる大型ロケットに二次ペイロードとして搭載する必要があり、2015年時点での価格は10万ドル前後からとなっている。^[115] CubeSatはP-PODや同様の展開システムによって展開されるため、事実上あらゆる打ち上げロケットに統合して打ち上げることができる。しかし、一部の打ち上げサービスプロバイダーは、すべての打ち上げまたは特定の打ち上げでのみCubeSatの打ち上げを拒否しており、2015年時点での2つの例としてはILSとSea Launch^{[アップデート]}がある。^[116]

SpaceX ^{[117] [118]}と日本有人宇宙システム株式会社（JAMSS）^{[119] [120]}は、CubeSatを二次ペイロードとして商業的に打ち上げている2つの最近の企業ですが、打ち上げのバックログはまだ残っています。さらに、インドのISROは、2009年から二次ペイロードとして外国のCubeSatを商業的に打ち上げています。2017年2月15日、ISROは、さまざまな外国企業向けにPolar Satellite Launch Vehicleに103個のCubeSatを搭載して打ち上げ、世界記録を樹立しました。^[121] ISC KosmotrasとEurockotもCubeSatの打ち上げサービスを提供しています。^{[122] SpaceXは、2021年に}Transporter-1（宇宙飛行）で143個の宇宙船を軌道に乗せて記録を更新しました。Rocket Labは、ニュージーランドからElectronでCubeSatを打ち上げることを専門としています。 ^[123]

2015年5月5日、NASAはケネディ宇宙センターを拠点として超小型衛星の打ち上げ用に設計されたロケットのクラスを開発するプログラムを発表した。NASAベンチャークラス打ち上げサービス（VCLS）^{[115] [124] [125]}は、各ランチャーで30kgから60kgのペイロード質量を提供する。^{[124] [126]} 5か月後の2015年10月、NASAは3つの別々のスタートアップ打ち上げ会社にそれぞれ1回の飛行に対して合計1,710万ドルを授与した。ロケットラボ（エレクトロンロケット）に690万ドル、ファイアフライスペースシステムズ（アルファロケット）に550万ドル、ヴァージンギャラクティック（ランチャーワンロケット）に470万ドルである。^[127] VCLS契約による3回の飛行のペイロードはまだ割り当てられていない。^[127]他にも、インターオービタル・システムズのネプチューン・シリーズのロケット、ガーベイ・スペースクラフトのナノサット・ローンチ・ビークル、^[128]およびSPARKロケットなど、小型ペイロードと一緒にキューブサットを運ぶ小型衛星打ち上げシステムが開発中である。KSFスペースのような従来の打ち上げビークルやファシリテーターに加えて、ジェネレーション・オービット・ローンチ・サービスとボーイング（小型打ち上げビークルの形で）によって、軌道への空中打ち上げビークルがいくつか開発中である。

キューブサットの構造、推進力、材料、コンピューティングと通信、電力、追加の特定の機器や測定装置などの多くの側面は、地球の軌道を超えてキューブサット技術を使用する上で課題となります。^[129]これらの課題は、過去10年間で国際機関によってますます検討されるようになりました。たとえば、2012年にNASAとジェット推進研究所によって提案されたINSPIRE宇宙船は、深宇宙キューブサットの運用能力を証明するために設計された宇宙船の最初の試みです。 [ ^130]打ち上げ日は2014年と予想されていましたが、^[131]まだ行われておらず、NASAは日付を未定としています。^[130]

P-POD（ポリピコ衛星軌道展開装置）は、二次ペイロード用の共通プラットフォームを提供するために、キューブサットとともに設計されました。^{[25] P-PODは}打ち上げロケットに搭載され、キューブサットを軌道に乗せ、打ち上げロケットから適切な信号を受信するとキューブサットを展開します。P-POD Mk IIIは、1Uキューブサット3個、または最大容積3Uまでの0.5U、1U、1.5U、2U、または3Uキューブサットの組み合わせを搭載できます。^[132] CubeSat展開装置は他にも存在し、国際宇宙ステーションのNanoRacks CubeSat Deployer (NRCSD)は2014年現在、CubeSat展開の最も一般的な方法です。^[3] CubeSat展開装置には、ISIPOD (Innovative Solutions In Space BV)やSPL (Astro und Feinwerktechnik Adlershof GmbH)などの企業によって作成されたものもあれば、国際宇宙ステーションのX-POD (トロント大学)、T-POD (東京大学)、J-SSOD ( JAXA )など政府やその他の非営利団体によって作成されたものもあります。^[133] P-PODは最大3Uキューブサットの打ち上げに制限されているが、NRCSDは6U（10cm×10cm×68.1cm（3.9インチ×3.9インチ×26.8インチ））キューブサットを打ち上げることができ、ISIPODは異なる形式の6Uキューブサット（10cm×22.63cm×34.05cm（3.94インチ×8.91インチ×13.41インチ））を打ち上げることができる。

ほぼすべてのCubeSatは打ち上げロケットまたは国際宇宙ステーションから展開されますが、一部は主要ペイロード自体によって展開されます。たとえば、FASTSATは3UのCubeSatであるNanoSail-D2を展開しました。これは、 Antaresロケットの初飛行で打ち上げられた主要ペイロードであるCygnus Mass Simulatorでも行われ、4つのCubeSatを搭載し、後に展開されました。地球の軌道外でのCubeSatアプリケーションでは、主要ペイロードから衛星を展開する方法も採用されます。10個のCubeSatがArtemis 1で打ち上げられ、月の近くに配置されました。火星着陸船InSightも、中継通信衛星として使用するために、 CubeSatを地球の軌道外に送りました。MarCO AおよびBとして知られるこれらは、地球-月系の外側に送られた最初のCubeSatです。

チャスキ2014年に国際宇宙ステーションでの船外活動中に手動で展開されたとき、ユニークな展開プロセスを目にしました。

• アムサット
• カナダ先端ナノスペース実験プログラム
• CubeRover、小型ローバーに同様のコンセプトを適用
• キューブサット宇宙プロトコル
• イスラエルナノ衛星協会
• キューブサットのリスト
• 超小型衛星打ち上げシステム
• オスカー
• PocketQube、類似しているが小さいサイズ（5x5x5 cm）