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微型卫星为采集空间数据辟快捷廉价新途径

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核心提示:近日,科学家用微型卫星为采集空间数据辟快捷廉价新途径。

今年2月,两个30厘米长的地球观测立方体卫星从国际空间站发射升空。图片来源:NASA

Firefly是一颗长宽各10厘米、高30厘米的人造卫星,大部分由本科生完成。这颗卫星正在传回陆地γ射线反射的信息——γ射线反射是一股由闪电引发并射向太空的高能脉冲。Firefly于去年11月发射升空,是第一颗用于研究γ射线反射的卫星。美国国家科学基金会(NSF)地球空间科学部门项目负责人Therese Moretto Jorgensen说:“我认为,传送回来的数据将令我们感到震惊。”

Firefly属于立方体卫星,这种微型卫星的零件造价便宜,无发射成本,因此在科研领域蓬勃发展。自2003年以来,总计有130颗立方体卫星发射升空;而去年一年就有63颗布置完毕,相当于全部数量的一半。专家认为,立方体卫星至少已经开始为科研作出贡献。哈佛-史密森天体物理研究中心航天历史学家Jonathan McDowell说:“10年之后,这些小卫星将为科研作出巨大贡献,绝非仅仅是露一下脸而已。”

立方体卫星的用途多样,从探测可能导致地震的电磁信号,到监控在宇宙中生产细菌蛋白的过程。而一项名为INSPIRE的任务更是计划将两颗立方体卫星投送到地球轨道之外,该任务最早将在今年年底之前发射。这两颗卫星将跋涉150万公里,这相当于地球到太阳距离的1%;并在到达指定位置之后,绘制太阳风携带的带电粒子图。

立方体卫星于1999年首次面世时原本用于教育领域。它体形小、制作简单,即便是本科生也能制作出来。此外,它还具有标准化的体积,方便火箭容纳。斯坦福大学航空工程师Robert Twiggs和加州州立理工大学卫星部一道设计了一款边长10厘米的小盒子。这个体积恰好足够装下通信单元、太阳电池板、一块电池和一些附属物,以上物品总重大约只有1000克。

此后,立方体卫星势不可挡。2010年,美国宇航局(NASA)启动了立方体卫星发射倡议,每年为12颗或者更多通过申请的研究项目免费运送立方体卫星升空。到目前为止,这一倡议已经惠及了超过100个研究项目,其中有24颗卫星成功抵达预定轨道,其余的卫星则在排队等待升空。

另外,大约有12家专门提供标准化配件的商家如雨后春笋般出现。以加州旧金山市Pumpkin公司举例,一块底盘大约为7500美元,一块太阳电池板在2500美元左右。Twiggs说,一颗立方体卫星全套下来不会超过10万美元,如果有不需要支付报酬的学生帮忙,则费用会更低。

低廉的制作成本促使NSF于2007年启动了一项旨在鼓励立方体卫星使用的项目,NSF希望借此来更多更快地获得数据,因为它比动辄数百万美元的卫星项目要划算得多。Jorgensen负责管理NSF的立方体卫星项目,他对项目取得的成绩感到惊奇。“最开始纯粹是出于好奇,因为我们所需要的是太空天气数据,而立方体卫星体积太小不适合这项任务。”该项目目前已经花费1000万美元,包括Firefly项目在内,每个小项目的花费大约在90万美元。

RAX-2卫星是NSF的“拳头产品”,它与Firefly一样,由3颗立方体卫星组成。RAX-2于2011年发射,并在接下来的18个月里测量由太阳风暴导致的电离层扰动数据。根据设计,强大的陆基雷达发射器发出的信号透过电离层传送到太空中,RAX-2则对散射而出的信号予以测量。

相比其他立方体卫星项目而言,总价550万美元的INSPIRE项目较为昂贵,但它将在距太阳更近的距离监控太阳的影响。随着两颗卫星缓慢地分离,它们能绘制不同规模的太阳风波动。喷气推进实验室的Andrew Klesh是INSPIRE项目的主要研究者,他说:“这将是人类首次监控到规模小于10公里的太阳风波动。但是,该项目最重要的意义在于,它证明了立方体卫星可以在地球轨道外生存,并完成定位和通信的工作。”

相关领域的先行者正在推动为立方体卫星进一步“瘦身”。2009年,Twiggs将一颗立方体卫星改造成边长为5厘米的“便携式魔盒”,首批新型的立方体卫星于2013年11月发射升空。一个示范项目的零件成本只有数百美元,其中包括一块价值14美元的双向无线电芯片。Twiggs说:“从沃尔玛超市选购材料组装卫星,这个主意真棒。”到目前为止,受零部件和发射机会所限,新型立方体卫星还没有大规模的商业应用。

一些人喜欢体形更小的产品。4月18日,SpaceX的一艘火箭将一颗名为KickSat的价值3万美元的立方体卫星运送到国际空间站。KickSat将于两周之后被投送到太空中,届时将有104颗邮票大小的“蕊片卫星”投入工作。这些“芯片卫星”配备有无线电发射器,任何人都可以通过拍卖竞价的方式购买,起价300美元一颗。

目前,无论是“芯片式”还是“便携式”卫星都只能提供定位和短信服务。但是,华盛顿市NASA先进探测系统部门负责人Jason Crusan预测,新型号的卫星将很快带来回报。层层密布的立方体卫星能提供全方位、无死角的目标视野,或将之用于一次性任务。

物理学家、英国布里斯托大学访问学者Michael Johnson认为,可以利用立方体卫星研究土星光环。KickSat任务的合伙创始人兼公司创建者Johnson说:“你既可以选择将造价10亿美元的卫星安置在足够安全的距离进行研究,也可以在土星光环中选择一块较大的陨石,让价值1万美元的廉价飞行器着陆。”

Johnson说,设计中的“芯片式卫星”非常轻薄,因此不会因为反复进出大气层而烧坏。这将使得研究者能够绘制地球高层大气中的风力图,或者在火星表面建设一组加速器网络。

虽然Jorgensen还没有认可“芯片式卫星”的光明前景,但她对此持乐观态度。“很难想象‘芯片式卫星’能够胜任工作,但在立方体卫星出现之前人们也是这样说的。”(来源:中国科学报 记者 段歆涔)

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