空天科技探秘

主题

🚀 第 13 课 · 立方星与卫星载荷 ​

模块：航天 ｜ 课时：45 分钟 ｜ 类型：理论+实操入门

🛠️ 本课配套工具：🛰️ 轨道计算器 →
📖 讲义🔬 实践活动✏️ 学生任务单👨‍🏫 教师参考📋 素材清单

📖 讲义 ​

模块：航天 ｜ 课时：45 分钟 ｜ 类型：理论 + 实操入门 教学法：5E 之 Explore（探索）

学习目标 ​

完成本课后，你能够：

  1. 说出 CubeSat 标准的基本规格（1U 尺寸、质量）与 2U/3U/6U 的组合方式，解释标准化为何能"降低卫星研制门槛"。
  2. 辨识卫星的六大分系统（结构、电源、热控、姿态、通信、载荷），并说明各分系统的功能与关键组件。
  3. 理解"载荷"（Payload）概念，能根据任务类型（遥感 / 通信 / 科学）匹配相应的载荷。
  4. 说明 CanSat 作为教学微缩卫星的价值，完成拆解认知与 Arduino 传感器数据读取。
  5. 复述中国科普卫星（八一·少年行、少年星一号）的关键信息，激发为载荷创意设计的动机。

核心知识 ​

一、CubeSat ​

🛰️ CubeSat 立方星结构
电源 飞控 载荷 Payload 通信 热控 CubeSat 1U（10×10×10cm，约1kg） 标准化接口，降低卫星研制门槛 可扩展为 2U / 3U / 6U 八一·少年行、少年星一号
1U=10×10×10cm，标准化接口降低研制门槛

标准：让造卫星像搭积木

过去，造一颗卫星动辄上亿元、耗时十年，只有国家队能玩。1999 年，美国加州州立理工大学和斯坦福大学联合提出 CubeSat（立方星）标准，把卫星"模块化、标准化"，彻底改变了游戏规则。

基本规格：

  • 1U（一个单元）= 10 × 10 × 10 cm³，质量不超过 1.33 kg（约一升牛奶的大小、一台轻薄笔记本的重量）。
  • 2U、3U、6U……就像把若干个 1U "积木"叠起来：3U = 10 × 10 × 34 cm（多出的 4 cm 是结构间隙），是当前最主流的规格。
  • 各单元之间用统一的 PC/104 总线接口堆叠，电路、机械、电气全部对齐，不同单位造的板子插上去就能用。

💡 革命性意义：标准化之后，高校、中学、甚至爱好者团队都能用低成本（几十万到几百万）造一颗真正上天工作的卫星。CubeSat 让"造卫星"从国家队专利，变成了"航天界的开源运动"。今天，全球每年发射的卫星里，CubeSat 占了相当大比例——航天创新的大众化，正是从这里开始的。

二、卫星的六大分系统：一台太空中的"生命体" ​

不管多大的卫星，都要解决一个核心问题：在极端恶劣的太空环境中生存，并把任务数据送回地球。为此，卫星被拆分成六个各司其职的分系统（subsystem）：

分系统功能关键组件
结构（Structure）承载与保护所有部件，承受发射时的剧烈振动铝合金/碳纤维框架、星箭对接环、PC/104 堆叠
电源（EPS）产生、储存、分配电能太阳能电池片、蓄电池（锂离子）、电源管理电路
热控（Thermal）让各部件温度保持在正常工作范围（太空 -100℃~+120℃ 剧烈波动）多层隔热膜（MLI）、热管、加热片、散热涂层
姿态（ADCS）控制卫星朝向（指向太阳充电、指向地球拍照、指向天体观测）磁力矩器、反作用飞轮、太阳/星敏感器、陀螺仪
通信（COM）与地面站收发指令和数据天线（鞭状/贴片）、射频收发机、调制解调
载荷（Payload）执行任务的核心设备——卫星存在的理由相机、光谱仪、通信转发器、科学实验装置

前五个分系统（结构→通信）可以理解为卫星的"身体"，它们服务的对象是第六个——载荷。

三、载荷：卫星的"灵魂" ​

载荷（Payload）是卫星上执行其核心任务的设备。 一颗卫星为什么被造出来，就是为了让载荷上天工作。同样的"身体"（前五个分系统），换个载荷，卫星就变成了完全不同用途的卫星：

任务类型典型载荷你熟知的应用
对地遥感光学相机、多光谱/高光谱仪、合成孔径雷达（SAR）风云气象卫星、高分对地观测、地图测绘
通信通信转发器（透明转发 / 处理转发）高通量宽带卫星、海事卫星、手机直连卫星
导航原子钟（铷/铯/氢）、导航信号生成器北斗三号、GPS
科学探测粒子探测器、X 射线望远镜、磁场计嫦娥探测器、慧眼 X 射线卫星、空间站实验柜
技术试验新型元器件、新材料、新算法在轨验证各类试验卫星

💡 金句："卫星是为载荷服务的。" 设计一颗卫星，第一步永远是问："我的载荷要做什么任务？"——这决定了整颗卫星的轨道、功率、指向、寿命。载荷先行，平台跟随。

四、CanSat：一颗装进易拉罐的卫星 ​

真正造 CubeSat 上天成本仍高、周期仍长，于是航天教育家们发明了 CanSat（易拉罐卫星）——把卫星的核心功能浓缩进一个 350 ml 易拉罐大小的体积里。

项目说明
体积约 ⌀66 mm × 120 mm（标准易拉罐尺寸）
保留的核心功能传感（测温度/气压/加速度等）+ 通信（无线数传）+ 回收（降落伞）
典型任务由无人机或气球带到百米高空释放，下落过程采集大气数据
推崇机构欧洲航天局（ESA）的 CanSat 竞赛、日本 CanSat 竞赛、美国 ARLISS

CanSat 体积虽小，五脏俱全：它有主控板（"大脑"）、传感器（"感官"）、电池（"心脏"）、通信模块（"嘴巴"）、降落伞（"腿"）——和真卫星的分系统几乎一一对应。它是中学生认识卫星工程的最佳"微缩实验室"。 本节课我们就要亲手拆解并给它编程。

五、中国科普卫星：中学生也能造真卫星 ​

中国已经有不止一颗由中学生深度参与的卫星在轨运行，它们是 CubeSat 在中国的教育实践典范：

卫星发射关键信息
八一·少年行（八一 01 星）2016 年 12 月 28 日，长征二号丁，太原中国首颗由中学生参与研制的科普卫星。北京市八一学校 40 余名中学生参与研制，质量约 2 kg，习近平总书记回信鼓励。开创"中国青少年科普卫星工程"。
少年星一号2018 年 2 月 2 日，长征二号丁，酒泉中国首颗教育共享卫星。3U 立方星，约 3 kg，由九天微星研制。创意源自全国 10 万中小学生的"中国少年微星计划"，在轨后向建有测控分站的学校开放通信资源。

🏆 赛事连接：这两个案例说明一个事实——中学生不仅能造模型，还能造真上天的卫星。你们在 PBL 项目中设计的"卫星载荷创意"，完全可以参照它们的路径：从一个想法，到一个原型，最终可能走向真实工程。

本课小结 ​

  • CubeSat 标准：1U = 10 cm 立方体，质量约 1 kg；标准化接口让造卫星门槛骤降。
  • 六大分系统：结构 / 电源 / 热控 / 姿态 / 通信 / 载荷——前五者服务载荷。
  • 载荷是灵魂：任务决定载荷，载荷决定卫星；遥感靠相机，通信靠转发器，科学靠仪器。
  • CanSat：易拉罐大小的微缩卫星，保留传感/通信/回收核心功能，是航天教育金载体。
  • 中国科普卫星：八一·少年行（2016，首颗中学生参与）、少年星一号（2018，首颗教育共享）。

延伸阅读 ​

  1. 🌐 Cal Poly CubeSat 项目（标准原文）：https://www.cubesat.org/
  2. 📖 中国青少年科普卫星工程（国家航天局）：https://www.cnsa.gov.cn/
  3. 🎬 ESA CanSat 竞赛介绍：https://esero.esa.int/cansat/
  4. 🌐 九天微星"少年星一号"专题（新华网报道）：https://www.xinhuanet.com/politics/2018-02/02/c_1122360707.htm
  5. 💡 选看：纪录片《我们的征途》——中国空间站科学实验柜如何把实验室搬上太空

🔬 实践活动 ​

第 13 课实践环节（约 25 分钟） 教学法：5E 之 Explore（探索）

活动目标 ​

  1. 通过拆解一台真实的 CanSat，辨认卫星各分系统对应部件，画出系统框图。
  2. 用 Arduino 读取温度/气压/加速度/光照传感器数据，亲手让"卫星感官"工作。
  3. 头脑风暴：给定一个任务场景，为"你的卫星"设计一个载荷方案，对接航天创意赛。

器材清单（每组 2–3 人） ​

器材数量说明
Arduino CanSat 套件（含主控板）1 套推荐 Arduino UNO/Nano + CanSat 扩展板
BMP280 温度气压传感器1I²C 接口，测温度 + 气压
MPU6050 六轴加速度/陀螺仪1I²C 接口，测姿态（三轴加速度）
光敏电阻（LDR）+ 10 kΩ 电阻1 套模拟口，测光照强度
杜邦线（母对母 / 公对母）若干接线用
面包板（可选）1扩展接线
USB 数据线1连接电脑，供电 + 烧录
装好 Arduino IDE 的电脑1需联网安装库
CanSat 外壳（含降落伞）1拆解认知用
A4 白纸 + 彩笔每组 1画系统框图、载荷方案

活动一：CanSat 拆解认知（10 分钟） ​

步骤 ​

  1. 观察外观：拿起 CanSat，观察它的体积（≈ 易拉罐）、外壳结构、是否有天线、降落伞舱。
  2. 拆开外壳（在教师指导下）：取出内部"三明治"——主控板、传感器板、电池。
  3. 逐一辨认，按下表把每个部件归类到"六大分系统"：
你看到的部件它属于哪个分系统？它的功能是什么？
铝合金/3D 打印外壳
主控板（Arduino）
BMP280 温度气压传感器
MPU6050 加速度计
锂电池
太阳能电池片（如有）
无线数传模块（如有）
降落伞（提示：不属于标准分系统，对应"返回/回收"）
  1. 画系统框图：在 A4 纸上，把主控板画在中心，四周画出各分系统，用箭头表示数据/能量流向。参考骨架：
        [传感器 BMP280/MPU6050]
                 │ 数据
                 ▼
   [电池]──►[主控板 Arduino]──►[无线模块]──► 地面站
                 ▲
        [太阳能/USB 供电]

✅ 完成后：每组举起框图，用 30 秒说明"我们的 CanSat 缺了哪个真卫星才有的分系统？"（常见答案：姿态控制执行机构、热控）

活动二：Arduino 读取传感器数据（12 分钟） ​

接线表 ​

传感器引脚接到 Arduino说明
BMP280VCC3.3V⚠️ 多数 BMP280 只能 3.3V
GNDGND
SDAA4（UNO）I²C 数据
SCLA5（UNO）I²C 时钟
MPU6050VCC3.3V/5V（看模块标注）
GNDGND
SDAA4与 BMP280 共用 I²C 总线
SCLA5
光敏电阻一端5V
另一端A0 + 10kΩ 电阻到 GND分压电路，A0 读模拟值

💡 I²C 总线可挂多个设备：BMP280 和 MPU6050 默认地址不同（0x76/0x77 和 0x68），可共用 A4/A5 两根线。

烧录代码 ​

在 Arduino IDE 中：工具 → 管理库，搜索并安装 Adafruit BMP280 Library 和 Adafruit MPU6050。然后上传以下代码：

cpp
/* CanSat 综合传感器读取（第 13 课）
 *  读取：温度(℃)、气压(hPa)、加速度(g)、光照(0-1023)
 *  打开 串口监视器（波特率 9600）观察数据
 */
#include <Wire.h>
#include <Adafruit_BMP280.h>
#include <Adafruit_MPU6050.h>

Adafruit_BMP280 bmp;          // 温度气压传感器
Adafruit_MPU6050 mpu;         // 六轴加速度陀螺仪
const int LIGHT_PIN = A0;     // 光敏电阻接 A0

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  while (!Serial);            // 等待串口就绪

  // —— 初始化 BMP280 ——
  if (!bmp.begin(0x76)) {     // 0x76 或 0x77，视模块而定
    Serial.println("未找到 BMP280，请检查接线！");
    while (1);
  }
  // —— 初始化 MPU6050 ——
  if (!mpu.begin()) {
    Serial.println("未找到 MPU6050，请检查接线！");
    while (1);
  }
  mpu.setAccelerometerRange(MPU6050_RANGE_8_G);
  Serial.println("=== CanSat 传感器初始化完成 ===");
}

void loop() {
  // 1. 温度 & 气压（BMP280）
  float temp = bmp.readTemperature();          // ℃
  float pres = bmp.readPressure() / 100.0F;    // hPa

  // 2. 加速度（MPU6050），单位换算成 g
  sensors_event_t a, g, temp2;
  mpu.getEvent(&a, &g, &temp2);
  float ax = a.acceleration.x / 9.8;
  float ay = a.acceleration.y / 9.8;
  float az = a.acceleration.z / 9.8;

  // 3. 光照（光敏电阻模拟值 0~1023）
  int light = analogRead(LIGHT_PIN);

  // —— 串口输出 ——
  Serial.print("温度="); Serial.print(temp); Serial.print("℃  ");
  Serial.print("气压="); Serial.print(pres); Serial.print("hPa  ");
  Serial.print("加速度(g) X="); Serial.print(ax);
  Serial.print(" Y="); Serial.print(ay);
  Serial.print(" Z="); Serial.print(az); Serial.print("  ");
  Serial.print("光照="); Serial.println(light);

  delay(500);  // 每 0.5 秒采一次
}

观察（在串口监视器，波特率 9600） ​

  1. 看温度气压：用手指捂住 BMP280，温度是否上升？气压是否基本稳定？
  2. 看加速度：把 CanSat 平放桌面，Z 轴应接近 1 g（重力）；翻转后 Z 接近 −1 g，X/Y 接近 0。快速摇晃，数值剧烈变化。
  3. 看光照：用手遮住光敏电阻，数值变化（遮住变____，照光变____，请观察填空）。

✅ 完成后：记录一组"静止"和"摇晃"状态的数据到任务单。

活动三：设计你的卫星载荷（头脑风暴，3 分钟） ​

教师给出以下任务场景（任选其一，或自拟），小组用 3 分钟设计一个载荷方案：

场景 A：监测校园空气质量（PM2.5、CO₂、温湿度） 场景 B：太空植物生长实验（光照、温湿度、植株影像） 场景 C：自选（如太空垃圾监测、北斗短报文应急救援……）

每组在 A4 纸上回答三问：

  1. 任务目标：你的载荷要测什么 / 做什么？（一句话）
  2. 选什么传感器/设备作为载荷？（如 PM2.5 传感器 + 温湿度 + 摄像头）
  3. 数据怎么用？（传回地面做什么分析？给谁用？）

✅ 完成后：每组 30 秒"电梯演讲"，把你的载荷创意讲清楚。这是期末航天创意赛的种子！

讨论问题（如时间允许） ​

  1. 真卫星有六个分系统，你们的 CanSat 缺了哪个？如果加上它会带来什么变化？
  2. 你的载荷如果在 400 km 高度的轨道上工作，会遇到地球上没有的什么问题？（提示：辐射、真空、温差）
  3. "监测校园空气质量"和"监测城市空气质量"，载荷设计会有什么不同？

⚠️ 安全提示 ​

  1. BMP280 多为 3.3V 供电，接到 5V 可能烧毁——接线前看清模块丝印。
  2. 锂电池不可短路、不可挤压、不可拆解；充电用配套充电器。
  3. 拆卸 CanSat 外壳时注意金属锐边，必要时由教师协助。
  4. 杜邦线插拔时捏住插头，不要拽线，避免断线。
  5. 严禁在通电时插拔 I²C 传感器——先断电再接线。

✏️ 学生任务单 ​

姓名：__________ 班级：__________ 团队：__________

课堂任务（当堂完成） ​

任务 1：分系统功能匹配（5 分钟） ​

把左侧的"卫星分系统"与右侧的"功能/组件"用线连起来（每个分系统可对应多项）。

分系统功能 / 组件
① 结构A. 锂离子蓄电池
② 电源B. 磁力矩器、反作用飞轮
③ 热控C. 控制卫星朝向（指向地球、太阳）
④ 姿态D. PC/104 总线、铝合金框架
⑤ 通信E. 多层隔热膜（MLI）、加热片
⑥ 载荷F. 天线、射频收发机
G. 执行任务的核心设备（相机、转发器等）

任务 2：CubeSat 规格填空（3 分钟） ​

  1. 1U 的尺寸是 ____ × ____ × ____ cm³，质量不超过约 ____ kg。
  2. 3U 的尺寸约为 10 × ____ × ____ cm，本质是把 ____ 个 1U 叠起来。
  3. 各单元之间通过统一的 ________ 总线接口堆叠，实现模块化。
  4. CubeSat 标准的提出者是 ________ 和 ________（两所大学）。

任务 3：CanSat 系统框图（配合实践活动） ​

在 A4 纸上画出本组 CanSat 的系统框图（主控板居中，标注各分系统部件及数据/能量流向）。完成后粘贴到本任务单背面，并回答：

我们的 CanSat 相比真卫星，缺少的分系统是：____________________

任务 4：载荷任务匹配（3 分钟） ​

把左侧"卫星任务"与右侧"最合适的载荷"连线：

卫星任务合适的载荷
① 气象观测（云图）A. 通信转发器
② 手机直连卫星通话B. 原子钟
③ 北斗导航定位C. 多光谱光学相机
④ 太阳 X 射线观测D. X 射线望远镜 / 粒子探测器

任务 5：传感器数据记录（配合实践活动活动二） ​

运行 Arduino 程序，在串口监视器记录两组数据：

状态温度(℃)气压(hPa)加速度 Z(g)光照(0-1023)
CanSat 静止平放
用手遮挡光敏电阻

观察判断（填"变大"/"变小"/"不变"）：遮挡光敏电阻后，光照读数 ________。 静止平放时，Z 轴加速度约为 ________ g，原因是 ________。

任务 6：我的载荷创意（配合实践活动活动三） ​

我组选择的任务场景是（打 ✓）：□校园空气质量 □太空植物生长 □自拟：________

  • 我的载荷要测/做：____________________________________
  • 选用的传感器/设备：____________________________________
  • 数据用途：____________________________________

课后任务 ​

必做 ​

  1. 研究一颗真实卫星的载荷（任选一颗，如风云四号、高分七号、北斗三号、天和核心舱、慧眼卫星），回答：

    • 卫星名称：________________ 发射年份：________
    • 它的核心载荷是：________________________
    • 这个载荷解决什么问题：________________________
    • 信息来源（网址）：________________________

  2. 整理本课 CanSat 系统框图和载荷创意，归入你的 PBL 项目"研究日志"文件夹——它将成为期末创意赛的种子之一。

  3. 与队友讨论：我们 PBL 选题是否可能与"卫星载荷"相关？列出 1 个具体想法（一句话）。

选做 💡 ​

  • 了解中国空间站"问天"/"梦天"实验舱的科学实验柜（如生命生态实验柜、燃烧科学实验柜），任选一个实验柜，简述它研究什么。
  • 在 cubesat.org 浏览一个大学 CubeSat 项目，看它的载荷是什么。
  • 试着给本课的 Arduino 程序加一个功能：当光照低于某个阈值时，串口打印"黑夜模式"。

自评（✔ / ✘） ​

本课目标达成
能说出 1U 的尺寸和质量
能说出 CubeSat 标准的意义（降低门槛）
能辨认六大分系统及功能
能根据任务匹配载荷类型
完成 CanSat 拆解并画出系统框图
成功让 Arduino 读取传感器数据
提出一个载荷创意想法

👨‍🏫 教师参考 ​

课时概览 ​

本课是航天模块的"卫星入门课"，承上（火箭把卫星送入轨道）启下（北斗、深空探测）。核心任务有三：建立 CubeSat 标准的认知 → 用 CanSat 把抽象分系统变成可拆可摸的实物 → 用 Arduino 让"载荷感知"落地。成败关键在于让高一学生亲手摸到、亲手让传感器工作，把"卫星分系统"从一张表格变成可感知的工程对象。

时间分配表（45 分钟） ​

时间环节内容形式
0–3 min🎤 开场导入抛出问题："把一颗卫星缩小到易拉罐大小，还能叫卫星吗？" + 展示八一·少年行图片讲授
3–13 min🎤 CubeSat 标准1U 尺寸/质量、2U/3U/6U 组合、PC/104 总线、标准化降低门槛的意义讲授 + 提问
13–23 min🎤 六大分系统 + 载荷用"身体-灵魂"比喻讲分系统；强调载荷是任务核心讲授
23–28 min🎤 CanSat 与中国科普卫星CanSat 概念 + 八一·少年行(2016) + 少年星一号(2018)讲授
28–40 min✅ 实践活动CanSat 拆解认知 + Arduino 传感器读取（活动一二合并推进）小组实操
40–43 min✅ 载荷头脑风暴活动三：任务场景载荷设计 + 30 秒电梯演讲小组
43–45 min总结 + 课后任务回收器材、布置任务单讲授

⚠️ 实操时间紧，建议：活动一（拆解）8 分钟，活动二（Arduino）12 分钟，活动三（头脑风暴）3 分钟，可微调。若 Arduino 烧录遇阻，优先保证"拆解 + 头脑风暴"，代码可课后补跑。

教学设计（5E 对应） ​

5E 阶段本课对应
Engage（激发）开场问题 + 八一·少年行"中学生造真卫星"的冲击
Explore（探索）CanSat 拆解 + Arduino 传感器读取（本课主体）
Explain（解释）教师讲解 CubeSat 标准、六大分系统、载荷概念
Elaborate（拓展）课后研究真实卫星载荷、了解空间站实验柜
Evaluate（评价）任务单 + CanSat 框图 + 载荷创意演讲

重难点与突破策略 ​

重难点 1：六大分系统容易混淆（尤其姿态 vs 热控 vs 结构） ​

  • 学生困难：六个分系统名称相近、功能抽象，记不住谁是谁。
  • 突破：① 用"人体比喻"——结构是骨骼，电源是心脏+血液，热控是体温调节（出汗/发抖），姿态是平衡感+肌肉，通信是嘴巴耳朵，载荷是大脑要做的事。② 拆 CanSat 时每拿出一个部件就现场归类，把抽象表格落到实物。③ 任务 1 连线题当堂巩固。

重难点 2：载荷概念抽象（学生易把"载荷"等同于"整个卫星"） ​

  • 学生困难：分不清"平台"和"载荷"的边界。
  • 突破：反复强调"卫星是为载荷服务的"金句。用一辆"厢式货车"比喻：车厢、轮子、发动机（=平台分系统）都是为了把货物（=载荷）送到目的地；换不同货物（相机/转发器/仪器），车就执行不同任务。任务 4"载荷匹配"练习强化。

重难点 3：Arduino I²C 接线易错，烧录失败率高 ​

  • 学生困难：I²C 地址错（0x76 vs 0x77）、BMP280 接 5V 烧毁、库未安装。
  • 突破：① 教师课前逐组预检接线，尤其 BMP280 电压；② 提供已装好库的镜像或离线库包；③ 准备 1–2 套"已验证可跑"的备份套件，烧录失败直接换，不卡进度；④ 代码内含 if (!bmp.begin()) 错误提示，引导学生看串口报错。

重难点 4：CanSat 与 CubeSat、真卫星的层级关系 ​

  • 突破：画一张"金字塔"——真卫星（最上、最复杂）→ CubeSat（标准化的微型卫星，可真上天）→ CanSat（教学微缩，易拉罐大小，不上轨道）。三者都有"分系统"概念，只是复杂度递减。

常见问题（FAQ） ​

Q1：学生问"1U 为什么是 10 cm？这个数字怎么来的？"

答：这是 CubeSat 标准制定者（Cal Poly 的 Bob Twiggs 团队）的选择——10 cm 立方体刚好能放进当时常用的火箭上面级搭载舱（P-POD 部署器）的标准格子，质量 1.33 kg 对应当时成熟的小型卫星元器件密度。本质是工程上"够用、好造、能搭车"的折中。

Q2：学生问"CanSat 真的能上天吗？和 CubeSat 什么区别？"

答：不能进轨道。CanSat 是教学微缩卫星，通常由无人机/气球带到几十~几百米释放，靠降落伞回收，工作几秒到几分钟。它保留的是卫星的核心功能（传感+通信+回收），目的是教学。能进轨道的最小标准卫星是 CubeSat（1U 起）。

Q3：学生问"原子钟为什么算载荷而不是电源或通信？"

答：原子钟是导航卫星的核心任务设备——北斗三号靠它产生高精度时间基准，进而实现定位。对导航卫星而言，原子钟就是"载荷"。但同一台设备在不同卫星里角色可能不同；引导学生理解"载荷"是相对任务定义的。

Q4：学生问"那空间站算卫星吗？它的载荷是什么？"

答：空间站是有人驻留的航天器（不算卫星），但它上面有大量"实验柜"（如生命生态、燃烧、流体科学实验柜）——这些就是它的科学载荷。本课选做题正是让学生了解它们。

Q5：BMP280 读不到数据/串口报"未找到 BMP280"怎么办？

答：按顺序排查：① 模块供电是否 3.3V；② I²C 地址是 0x76 还是 0x77（部分模块不同），代码里 bmp.begin(0x76) 改成 0x77 试；③ SDA/SCL 是否接反（UNO: A4=SDA, A5=SCL）；④ 跑一段 I²C 扫描程序（Wire 库示例）看挂了哪些地址；⑤ 换一套备份套件。

Q6：学生想"我组的 CanSat 能不能加个摄像头当载荷？"

答：当然可以！这正是创意的起点。可引导：① Arduino + OV7670 摄像头模块或 ESP32-CAM；② 思考数据怎么存储/传回（存储卡？无线数传？）；③ 这就是"对地遥感"载荷的微缩版。鼓励但说明本课时间有限，可作为 PBL 延伸方向。

参考答案（学生任务单） ​

任务 1（连线） ​

  • ① 结构 → D（PC/104 总线、铝合金框架）
  • ② 电源 → A（锂离子蓄电池）
  • ③ 热控 → E（多层隔热膜 MLI、加热片）
  • ④ 姿态 → B（磁力矩器、反作用飞轮）、C（控制朝向）
  • ⑤ 通信 → F（天线、射频收发机）
  • ⑥ 载荷 → G（执行任务的核心设备）

任务 2（CubeSat 规格） ​

  1. 10 × 10 × 10 cm³，1.33（约 1）kg
  2. 10 × 34 cm；3 个 1U
  3. PC/104
  4. 美国加州州立理工大学（Cal Poly）、斯坦福大学

任务 4（载荷匹配） ​

  • ① 气象观测 → C 多光谱光学相机
  • ② 手机直连 → A 通信转发器
  • ③ 北斗导航 → B 原子钟
  • ④ X 射线观测 → D X 射线望远镜/粒子探测器

任务 5（数据记录） ​

  • Z 轴静止约 1 g（或 −1 g，视朝向），原因：静止时受重力作用，加速度计测到的是重力加速度。
  • 遮挡光敏电阻：光照读数变小（典型电路分压所致，遮光时 A0 电压降低）。

差异化教学建议 ​

  • 基础薄弱学生：拆解环节重点带，Arduino 代码可只跑温度+光照（去掉 MPU6050 部分）降低难度；框图只要求标出 4 个分系统即可。
  • 学有余力学生：引导其给代码增加功能（如计算海拔 h = 44330*(1-(p/p0)^(1/5.255))、姿态角度估算、数据存 SD 卡），或挑战 6U CubeSat 的载荷方案设计。
  • 对编程感兴趣的学生：鼓励课后用 ESP32 + LoRa 实现真正的"无线数传"，让 CanSat 具备通信分系统的雏形。
  • 对生物/化学感兴趣的学生：引导其设计"太空植物生长""微生物在太空"等生命科学载荷方案（对接空间站实验柜方向）。

赛事对接说明 🏆 ​

本课是航天创意赛**"卫星/载荷创意"赛道**的直接孵化器：

  1. 载荷创意即赛事选题：活动三"设计你的卫星载荷"产出的想法，经后续 EDP 循环可发展为完整作品（方案文稿 + 模型 + 研究报告）。
  2. CanSat 模型即赛事模型：本课的 CanSat 套件经过改造（加摄像头/LoRa/太阳能片），可作为创意赛的"实物/概念原型"交付物。
  3. 数据可成为研究报告素材：Arduino 采集的温度/气压/加速度数据，是研究报告里"原型验证"部分的实证。
  4. 科普卫星案例树立标杆：八一·少年行、少年星一号说明"中学生造真卫星"非空谈，激发学生把目标定高——评委对"真实可行的卫星/载荷设计"尤其青睐。
  5. 建议：课后让每组把本课的"载荷创意一句话"和 CanSat 框图拍照存档，归入 PBL 项目研究日志。

课前准备清单 ​

  • [ ] CanSat 套件逐组点齐：主控板、BMP280、MPU6050、光敏电阻、10kΩ 电阻、杜邦线、电池、外壳、降落伞
  • [ ] 每台电脑预装 Arduino IDE，并预装库：Adafruit BMP280 Library、Adafruit MPU6050（建议离线库包备用，防止课堂联网失败）
  • [ ] 预烧录 1 套"验证可跑"的备份套件（含正确接线），课堂烧录失败时直接替换
  • [ ] 检查 BMP280 供电电压标注，3.3V 模块贴红色警示贴
  • [ ] 打印：学生任务单（每人 1）、讲义（可选，可电子）、活动三任务卡
  • [ ] 准备：A4 白纸 + 彩笔（每组，画框图和载荷方案）
  • [ ] 课件素材：八一·少年行、少年星一号、CubeSat 标准图、各分系统示意图
  • [ ] 测试 I²C 扫描程序备用，便于现场排障
  • [ ] 准备 2–3 个真实卫星载荷案例图（如风云四号相机、北斗原子钟）用于讲解

📋 素材清单 ​

课前准备（教师） ​

视频 / 图片 ​

素材用途来源
八一·少年行卫星图片 + 短片开场导入："中学生造真卫星"国家航天局 / 新华网 https://www.cnsa.gov.cn/
少年星一号 3U 立方星图片CubeSat 案例展示新华网报道 https://www.xinhuanet.com/politics/2018-02/02/c_1122360707.htm
CubeSat 标准尺寸图（1U/2U/3U/6U 对照）讲解标准cubesat.org 官方文档
卫星分系统示意图（爆炸图）讲解六大分系统NASA/ESA 公开科普素材
各分系统部件实物照片（飞轮、原子钟、MLI 隔热膜等）直观认知网络图片库

文档（打印） ​

文档份数说明
学生任务单每人 1含分系统匹配、规格填空、数据记录
讲义（可选）每人 1可电子版分发
活动三任务卡（场景 A/B/C）每组 1载荷头脑风暴用
接线图彩印每组 1Arduino 传感器接线参考

软件 / 链接 ​

资源用途
Arduino IDE（预装到课堂电脑）烧录代码
库：Adafruit BMP280 Library、Adafruit MPU6050传感器驱动
Cal Poly CubeSat 项目官网 https://www.cubesat.org/CubeSat 标准原文
欧空局 CanSat 竞赛 https://esero.esa.int/cansat/CanSat 教育资源
I²C 扫描程序（Arduino Wire 库示例）现场排障

器材（Arduino CanSat 套件） ​

推荐配置（每组 2–3 人一套） ​

器材推荐型号 / 规格单价参考（元）备注
主控板Arduino UNO R3 / Nano30–60UNO 课堂更稳；Nano 体积小适合入罐
CanSat 扩展板（可选）各类 CanSat shield40–80方便堆叠传感器
温度气压传感器BMP280（3.3V）5–10⚠️ 注意电压，多数只能 3.3V
六轴加速度/陀螺仪MPU60505–10I²C 地址 0x68
光敏电阻GL5528 + 10kΩ 电阻1–3测光照
锂电池 + 充电模块3.7V 18650 + TP405615–25脱机供电用
无线数传模块（可选）NRF24L01 / LoRa SX127810–30实现通信分系统，进阶
CanSat 外壳3D 打印 / 现成亚克力罐10–30适配易拉罐尺寸
降落伞尼龙布自制 / 现成5下落回收用
杜邦线、面包板公母齐全5–10
套件合计约 120–250 元/组

成套 CanSat 套件采购参考 ​

国内常见可采购的成套方案（教师备选用，品牌仅为参考，非指定）：

来源说明
淘宝/拼多多"Arduino CanSat 套件"多家店铺有成套件，含主控+传感器+外壳，约 150–300 元
"创客教育"类供应商提供教学版 CanSat，配课程资料
ESA CanSat 指南（中文译版可搜索）自制指南，可参照自行采购散件组装

💡 省钱建议：若多组共用，可只采购 1–2 套"全配置"，其余组用 UNO + BMP280 + MPU6050 + 光敏电阻"裸板"做传感器实验，外壳和降落伞共享演示。

科普卫星资料链接（教师备课 + 学生研究用） ​

卫星资料
八一·少年行（八一 01 星）维基百科 https://zh.wikipedia.org/zh-cn/八一·少年行
国家航天局 https://www.cnsa.gov.cn/
教育部专题 http://www.moe.gov.cn/
少年星一号（九天微星）新华网 https://www.xinhuanet.com/politics/2018-02/02/c_1122360707.htm
科学网 https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2018/2/402045.shtm
中国青少年科普卫星工程国家航天局（搜索"科普卫星工程"，含 02 星西柏坡号、03 星太原号）
中国空间站实验柜中国载人航天 https://www.cmse.gov.cn/ （问天/梦天实验舱载荷介绍）

注意事项 ​

  • ⚠️ BMP280 电压是头号事故源：课前务必逐块测试，确认是 3.3V 还是 5V 模块，3.3V 模块贴警示贴并在接线表强调。
  • ⚠️ Arduino IDE 与库要课前装好：课堂网络不稳定，离线库包是保命符。建议把 Adafruit_BMP280、Adafruit_MPU6050、依赖库（Adafruit_Sensor）打包成 zip 随身携带。
  • ⚠️ 锂电池安全：充电用配套 TP4056 模块，禁止短路、穿刺；课堂长期不用时取出。
  • ⚠️ CanSat 外壳拆装：3D 打印件边缘可能锋利，准备创可贴，必要时由教师协助拆装。
  • ⚠️ 科普卫星信息时效性：发射日期、参与人数等细节以权威来源（国家航天局/新华网）为准，每年可复核。

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