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微型卫星崛起:未来"穷国"也能探测火星和金星

2020-07-29

微型卫星崛起:未来"穷国"也能探测火星和金星

过去几十年来,人类探索太空的方式不仅耗时费力,而且成本高昂,但是卫星小型化技术的崛起正在重塑太空探寻行业。

微型卫星兴起:未来
2019年8月,Rocket Lab的Electron火箭从新西兰升空升空

今年年初,美国宇航局(NASA)为应该自由选择哪些机器人任务来探索太阳系而苦恼不已。来自美国各地的研究人员明确提出了20多个点子,如探测小行星和金星大气层、钻探月球熔岩管道等。

最终,NASA自由选择了其中四个发现级任务。几个月后,NASA又从四项任务中挑选出两项全额资助,每项任务成本上限为4.5亿美元,并将在未来十年内升空探测器。对于未被顺位的想法,未来几年可能会有更多的机会,但这需要漫长的等候。

这就是NASA几十年来专门从事太空探寻的方式。科学家们首先明确提出各种各样有关太阳系探寻的想法,然后NASA确认几个重点项目展开资助。从最初的想法到将数据带回地球,整个过程通常需要几十年的时间。

这种方法获得了难以置信的成功。在过去的半个世纪里,NASA探寻了太阳系中的大多数大型天体,包括太阳、水星、冥王星等。然而,关于太阳系,仍有太多的秘密等候我们去了解。

现在,新兴技术可能会推展NASA和世界其他机构转入一个所花时间更短、成本更低的太空探寻时代,这将促成人们在短时间内展开更多的探寻,并使转入太阳系显得更加更容易。

近年来,许多新兴公司正在为发射微型卫星研发新式火箭,每次发射的成本约为1000万美元。

火箭实验室公司(Rocket Lab)已经宣布了其小型火箭Electron的登月计划。维珍轨道公司(Virgin Orbit)已经与多家波兰大学合作,利用其LauncherOne运载火箭向火星发射了三次任务。

与此同时,卫星的各种零部件,从推进系统到电池再到所装载的仪器,都在小型化。就像手机那样,如今的智能手机比几十年前的大型机具备更强的计算能力,微型卫星也在遵循同样的基本趋势。

此外,微型卫星的潜力已经得到实践检验。两年前,NASA建造的两颗立方体卫星(CubeSat)与洞察号(InSight)任务同时发射升空。在太空中,这些微型卫星进行了自己的太阳能电池板,平稳了轨道,总是以面向太阳的方向转动,然后前往火星。

西雅图科技公司First Mode的应用于行星科学家伊丽莎白·弗兰克(Elizabeth Frank)说道:“我们正处于非常有意思的时刻,人们可以更快地完成太空任务,再也不必须动辄花费几十年的时间。这建构了更多的机会,这是行星科学中非常激动人心的时代。”

微型卫星

NASA喷气前进实验室工程师、微型卫星任务技术负责人安迪·克莱什(Andy Klesh)说道,立方体卫星有几个目标。由于立方体卫星以前从未飞出过近地轨道,因此在为期六个月的火星之旅中,它们证明了微型卫星的确非常适合探寻太空,控制便利,并在到达目的地后,使用高增益天线以每秒8千比特的速度将数据传输地球。

但公文包大小的立方体卫星不仅仅是个技术演示。随着2018年火星洞察号着陆器的升空,NASA在其即将转入火星大气层并迫降在这颗红色星球的关键时期遭遇通信中断。

为了缩小通信距离,NASA耗资1850万美元修建了两颗取名为Marco 6U的立方体卫星,后用它们在着陆过程中传送回洞察号的数据。

克莱什回应,如果洞察号未能着陆,这两颗卫星就会充当黑匣子数据记录器。

NASA立方体卫星的发射成功改变了人们对小卫星和行星科学的看法。任务结束几个月后,欧洲航天局宣布将向一个双星小行星系统发射两颗立方体卫星,执行所谓的赫拉(Hera)任务。欧洲工程师特别提到,NASA立方体卫星任务的顺利给他们提供了启发,帮助他们发布命令了决意。

微型卫星崛起:未来
2018年11月26日,NASA立方体行星在距离火星大约6000公里外的地方拍摄了这张照片

星际卫星卫星飞行中任务的概念也唤起了人们对新兴太空产业的兴趣。维珍轨道公司类似项目主管威尔·波梅兰茨(Will Pmerantz)说道:“那次任务引发了我们的注意,我们从中受到了相当大启发,并且想要知道我们还能做到些什么。”

波梅兰茨表示,在NASA立方体行星任务结束后,维珍轨道公司开始接到研究小组关于LauncherOne的电话。LauncherOne是该公司的小型火箭,由747飞机带回高空获释,然后启动发动机。这种运载火箭能将多少有效载荷送入月球轨道?该公司能无法增加第三级?前往金星、小行星和火星执行任务的点子蜂拥而至。

波兰科学家坚信,他们可以建造质量在50公斤或更小的航天器(每个立方体行星重量为13.5公斤),可以拍摄火星及其卫星火卫一的高质量图像。这样的航天器还能用作研究火星大气层,甚至在火星表面下发现液态水的储藏库。展开低成本发射是这个点子被实践的关键推动因素。

波梅兰茨认为,如果没有这种新的行星探寻模式,像波兰这样的国家有可能不能作为火星任务的几个次要合作伙伴之一参予,而现在它几乎可以自律展开探寻。波梅兰茨还说:“即使是规模远比大的太空探索任务,也能让波兰声名鹊起。”

小型火箭

在立方体卫星和洞察号着陆器乘坐Atlas V火箭升空升空的前几个月,体积小得多的Electron火箭首次升空,这是由火箭实验室开发并从新西兰升空的新一代商业小型卫星运载火箭,也是第一枚转入轨道的此类火箭。小型助推器的近地轨道有效载荷能力约为200公斤。但自从Electron首次亮相以来,火箭实验室已经研发了UltraPhoton。

火箭实验室创始人彼得·贝克(Peter Beck)表示,该公司相信Photon可以向火星或金星载运25公斤有效载荷,向月球载运最多37公斤。由于Photon提供了许多深空飞行器的功能,大部分质量可以用作搭载传感器和科学仪器。

贝克说道:“我们的意思是,只需1500万至2000万美元,你就可以攀上月球。我认为这对科学界来说是一个极大的、颠覆性的计划。”

在Electron能到达的目的地中,贝克对金星最感兴趣。他说:“我认为这是我们太阳系中的无名英雄,我们可以从金星那里了解到大量关于地球的信息。火星更有了所有媒体关注,但金星才更应该受到重视,我们真的想完成探索金星的任务。”

还有其他更大的火箭也在随之而来。Firefly公司的阿尔法(Alpha)助推器可以将近1吨有效载荷送到近地轨道,Relativity Space公司则正在研发可以发射略高于1吨重物的Terran 1火箭。这些运载火箭可能会把立方体卫星送到小行星带之外,南北木星或更远的地方。

最后,SpaceX用更大火箭刺激的低成本发射革命也可能有所协助,该公司的猎鹰9号火箭在可重复使用模式下发射成本不到6000万美元,可以廉价地将更大的航天器送到太空深处。从历史上看,NASA为科学研究升空支付的费用是这个价格的三倍,甚至更高。

甘愿失败

当然,这其中需要展开权衡。NASA任务成本如此之高的原因之一是,该机构采取了广泛的预防措施,以确保其飞行器不会在太空环境中失灵。最终,NASA的大多数非常复杂的任务确实获得了令人惊叹的成功。

立方体卫星的风险更高,校验更较少。但波梅兰茨说,这没关系。他以NASA的好奇号月球探测器任务为事例,该任务于2011年升空,斥资25亿美元,这些钱足以把100个微型机器人送入太阳系。即使只有四分之一的任务有效地,那也意味著有25个迷你奇怪号发射成功。

微型卫星崛起:未来
用25个迷你奇怪号代替NASA奇怪号火星探测器,结果会更好吗?

NASA似乎对这个想法持开放态度,该机构已经表示,在谋求掌控成本并与商业伙伴合作实行新的月球科学计划时,它将学会接受告终。NASA科学项目负责人托马斯·祖尔布钦(Thomas Zurbuchen)表示,当NASA试图将科学实验迫降在月球上时,他将容忍某些失误。他去年表示:“我们并不指望每次发射和降落都能成功。”

在喷气前进实验室,行星科学家和工程师也持对外开放态度。约翰·贝克(John Baker)在实验室领导着“改变游戏规则”的技术开发和任务,他说道,没有人愿意花20年或更长的时间让任务构想成为现实,这期间充满了不确定性。他说:“现在,人们想要设计和打印机它们的结构,加到仪器和航空电子设备,为它加油并立即升空。这就是我们的未来愿景。”

当然,太空飞行仍然充满了挑战。许多技术可以微型化,但前进和燃料仍然是难题。然而,甘愿告终不会带给很多新的可能性。贝克最喜欢的设计之一是前往金星的“丘比特之箭”(Cupid's Arrow)任务,类似于NASA立方体行星的航天器会被射入金星大气层,机载质谱仪将分析大气样本。这是可以在月球任务中作为次要有效载荷发射的任务,并利用重力辅助抵达金星。

降低星际任务成本最令人兴奋的方面是,它增加了新参与者的机会,像波兰这样的小国以及世界各地的大学都可以参予其中。贝克说:“我指出能做到的最差的事情就是想办法降低成本,然后把这项技术公之于众。随着越来越多的国家参予太阳系探索,我们只不会教给更多。”

亚利桑那州而立大学米洛研究所等组织已经开始增进大学、新兴太空机构、私人慈善机构和小型太空公司之间的合作。从历史上看,行星科学家参予任务的机会如此之少,以至于研究人员很难获得领导大型项目所需的项目管理技能。弗兰克说,随着更多小型任务的展开,她坚信这将增加行星科学界的多样性。

她还补充说道,反过来,这将通过培养和减少全球人才库,最终协助NASA和其他大型太空机构继续执行规模更大、更具挑战性的行星科学任务,这些任务仍然必须数十亿美元和大型火箭推动。虽然有些事情可以更低成本的方式完成,但真正雄心勃勃的行星科学任务,如探测木卫二海洋深处或绕冥王星轨道运行,仍将斥资巨大。

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