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环亚开户微型卫星崛起,未来 “穷国”也能探测火星和金星

2020-07-20

过去几十年来,环亚开户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索行业。

图:2019 年 8 月,Rocket Lab 的 Electron 火箭从新西兰发射升空

今年年初,美国宇航局(NASA)为应该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提出了 20 多个想法,如探测小行星和金星大气层、钻探月球熔岩管道等。最终,NASA 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,并将在未来十年内发射探测器。对于未被选中的想法,未来几年可能会有更多的机会,但这需要漫长的等待。

这就是 NASA 几十年来从事太空探索的方式。科学家们首先提出各种各样有关太阳系探索的想法,然后 NASA 确定几个重点项目进行资助。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。这种方法取得了惊人的成功。在过去的半个世纪里,NASA 探索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,仍有太多的秘密等待我们去了解。

现在,新兴技术可能会推动 NASA 和世界其他机构进入一个所花时间更短、成本更低的太空探索时代,这将促使人们在短时间内进行更多的探索,并使进入太阳系变得更加容易。

近年来,许多新兴公司正在为发射微型卫星开发新式火箭,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携带的仪器,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有更强的计算能力,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,这些微型卫星展开了自己的太阳能电池板,稳定了轨道,总是以面向太阳的方向旋转,然后前往火星。

西雅图科技公司 First Mode 的应用行星科学家伊丽莎白 · 弗兰克 (Elizabeth Frank)说:“我们正处于非常有趣的时刻,人们可以更快地完成太空任务,再也不需要动辄花费几十年的时间。这创造了更多的机会,这是行星科学中非常激动人心的时代。”

微型卫星

NASA 喷气推进实验室工程师、微型卫星任务技术负责人安迪 · 克莱什 (Andy Klesh)说,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索太空,控制方便,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发射,NASA 在其即将进入火星大气层并降落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 斥资 1850 万美元建造了两颗名为 Marco 6U 的立方体卫星,并用它们在着陆过程中传递回洞察号的数据。克莱什表示,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。欧洲工程师特别提及,NASA 立方体卫星任务的成功给他们提供了灵感,帮助他们下达了决心。

图: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

星际卫星卫星飞行任务的概念也激发了人们对新兴太空产业的兴趣。维珍轨道公司特殊项目主管威尔 · 波梅兰茨 (Will Pmerantz)说:“那次任务引起了我们的注意,我们从中受到了很大启发,并且想知道我们还能做些什么。”

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 飞机带到高空释放,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?该公司能不能增加第三级?前往金星、小行星和火星执行任务的想法蜂拥而至。

波兰科学家相信,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于研究火星大气层,甚至在火星表面下发现液态水的储藏库。进行低成本发射是这个想法被实践的关键推动因素。

波梅兰茨指出,如果没有这种新的行星探索模式,像波兰这样的国家可能只能作为火星任务的几个次要合作伙伴之一参与,而现在它完全可以自主进行探索。波梅兰茨还说:“即使是规模不算大的太空探索任务,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搭乘 Atlas V 火箭发射升空的前几个月,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发射的新一代商业小型卫星运载火箭,也是第一枚进入轨道的此类火箭。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,火箭实验室已经开发了升级版 Photon。

火箭实验室创始人彼得 · 贝克 (Peter Beck)表示,该公司相信 Photon 可以向火星或金星运送 25 公斤有效载荷,向月球运送最多 37 公斤。由于 Photon 提供了许多深空飞行器的功能,大部分质量可以用于搭载传感器和科学仪器。贝克说:“我们的意思是,只需 1500 万至 2000 万美元,你就可以登上月球。我认为这对科学界来说是一个巨大的、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。火星吸引了所有媒体关注,但金星才更应该受到重视,我们真的想要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 吨有效载荷送入近地轨道,Relativity Space 公司则正在开发可以发射略高于 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,走向木星或更远的地方。

最后,SpaceX 用更大火箭刺激的低成本发射革命也可能有所帮助,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入太空深处。从历史上看,NASA 为科学研究发射支付的费用是这个价格的三倍,甚至更高。

甘愿失败

当然,这其中需要进行权衡。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取得了令人惊叹的成功。

立方体卫星的风险更高,冗余更少。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例,该任务于 2011 年发射,耗资 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,那也意味着有 25 个迷你好奇号发射成功。

图:用 25 个迷你好奇号取代 NASA 好奇号火星探测器,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,在寻求控制成本并与商业伙伴合作实施新的月球科学计划时,它将学会接受失败。NASA 科学项目负责人托马斯 · 祖尔布钦 (Thomas Zurbuchen)表示,当 NASA 试图将科学实验降落在月球上时,他将容忍某些失误。他去年表示:“我们并不指望每次发射和着陆都能成功。”

在喷气推进实验室,行星科学家和工程师也持开放态度。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,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它们的结构,添加仪器和航空电子设备,为它加油并立即发射。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,但推进和燃料仍然是难题。然而,甘愿失败会带来很多新的可能性。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 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,并利用重力辅助到达金星。

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与其中。贝克说:“我认为能做的最好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与太阳系探索,我们只会学到更多。”

亚利桑那州立大学米洛研究所等组织已经开始促进大学、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,行星科学家参与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进行,她相信这将增加行星科学界的多样性。

她还补充说,反过来,这将通过培养和增加全球人才库,最终帮助 NASA 和其他大型太空机构执行规模更大、更具挑战性的行星科学任务,这些任务仍然需要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,仍将耗资巨大。

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