衛(wèi)星小型化技術(shù)的崛起正在重塑太空探索行業(yè)

過(guò)去幾十年來(lái)，人類探索太空的方式不僅耗時(shí)費(fèi)力，而且成本高昂。但是衛(wèi)星小型化技術(shù)的崛起正在重塑太空探索行業(yè)。

圖：2019年8月，Rocket Lab的Electron火箭從新西蘭發(fā)射升空

今年年初，美國(guó)宇航局（NASA）為應(yīng)該選擇哪些機(jī)器人任務(wù)來(lái)探索太陽(yáng)系而苦惱不已。來(lái)自美國(guó)各地的研究人員提出了20多個(gè)想法，如探測(cè)小行星和金星大氣層、鉆探月球熔巖管道等。最終，NASA選擇了其中四個(gè)發(fā)現(xiàn)級(jí)任務(wù)。幾個(gè)月后，NASA又從四項(xiàng)任務(wù)中挑選兩項(xiàng)全額資助，每項(xiàng)任務(wù)成本上限為4.5億美元，并將在未來(lái)十年內(nèi)發(fā)射探測(cè)器。對(duì)于未被選中的想法，未來(lái)幾年可能會(huì)有更多的機(jī)會(huì)，但這需要漫長(zhǎng)的等待。

這就是NASA幾十年來(lái)從事太空探索的方式?？茖W(xué)家們首先提出各種各樣有關(guān)太陽(yáng)系探索的想法，然后NASA確定幾個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目進(jìn)行資助。從最初的想法到將數(shù)據(jù)帶回地球，整個(gè)過(guò)程通常需要幾十年的時(shí)間。這種方法取得了驚人的成功。在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)里，NASA探索了太陽(yáng)系中的大多數(shù)大型天體，包括太陽(yáng)、水星、冥王星等。然而，關(guān)于太陽(yáng)系，仍有太多的秘密等待我們?nèi)チ私狻?/p>

現(xiàn)在，新興技術(shù)可能會(huì)推動(dòng)NASA和世界其他機(jī)構(gòu)進(jìn)入一個(gè)所花時(shí)間更短、成本更低的太空探索時(shí)代，這將促使人們?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)進(jìn)行更多的探索，并使進(jìn)入太陽(yáng)系變得更加容易。

近年來(lái)，許多新興公司正在為發(fā)射微型衛(wèi)星開發(fā)新式火箭，每次發(fā)射的成本約為1000萬(wàn)美元?；鸺龑?shí)驗(yàn)室公司（Rocket Lab）已經(jīng)宣布了其小型火箭Electron的登月計(jì)劃。維珍軌道公司（Virgin Orbit）已經(jīng)與多家波蘭大學(xué)合作，利用其LauncherOne運(yùn)載火箭向火星發(fā)射了三次任務(wù)。

與此同時(shí)，衛(wèi)星的各種零部件，從推進(jìn)系統(tǒng)到電池再到所攜帶的儀器，都在小型化。就像手機(jī)那樣，如今的智能手機(jī)比幾十年前的大型機(jī)具有更強(qiáng)的計(jì)算能力，微型衛(wèi)星也在遵循同樣的基本趨勢(shì)。

此外，微型衛(wèi)星的潛力已經(jīng)得到實(shí)踐檢驗(yàn)。兩年前，NASA建造的兩顆立方體衛(wèi)星(CubeSat)與洞察號(hào)（InSight）任務(wù)同時(shí)發(fā)射升空。在太空中，這些微型衛(wèi)星展開了自己的太陽(yáng)能電池板，穩(wěn)定了軌道，總是以面向太陽(yáng)的方向旋轉(zhuǎn)，然后前往火星。

西雅圖科技公司First Mode的應(yīng)用行星科學(xué)家伊麗莎白·弗蘭克(Elizabeth Frank)說(shuō)：“我們正處于非常有趣的時(shí)刻，人們可以更快地完成太空任務(wù)，再也不需要?jiǎng)虞m花費(fèi)幾十年的時(shí)間。這創(chuàng)造了更多的機(jī)會(huì)，這是行星科學(xué)中非常激動(dòng)人心的時(shí)代?！?/p>

微型衛(wèi)星

NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室工程師、微型衛(wèi)星任務(wù)技術(shù)負(fù)責(zé)人安迪·克萊什(Andy Klesh)說(shuō)，立方體衛(wèi)星有幾個(gè)目標(biāo)。由于立方體衛(wèi)星以前從未飛出過(guò)近地軌道，因此在為期六個(gè)月的火星之旅中，它們證明了微型衛(wèi)星的確非常適合探索太空，控制方便，并在到達(dá)目的地后，使用高增益天線以每秒8千比特的速度將數(shù)據(jù)傳輸?shù)厍颉?/p>

但公文包大小的立方體衛(wèi)星不僅僅是個(gè)技術(shù)演示。隨著2018年火星洞察號(hào)著陸器的發(fā)射，NASA在其即將進(jìn)入火星大氣層并降落在這顆紅色星球的關(guān)鍵時(shí)期遭遇通信中斷。為了縮小通信距離，NASA斥資1850萬(wàn)美元建造了兩顆名為Marco 6U的立方體衛(wèi)星，并用它們?cè)谥戇^(guò)程中傳遞回洞察號(hào)的數(shù)據(jù)?？巳R什表示，如果洞察號(hào)未能著陸，這兩顆衛(wèi)星就會(huì)充當(dāng)黑匣子數(shù)據(jù)記錄器。

NASA立方體衛(wèi)星的發(fā)射成功改變了人們對(duì)小衛(wèi)星和行星科學(xué)的看法。任務(wù)結(jié)束幾個(gè)月后，歐洲航天局宣布將向一個(gè)雙星小行星系統(tǒng)發(fā)射兩顆立方體衛(wèi)星，執(zhí)行所謂的赫拉（Hera）任務(wù)。歐洲工程師特別提及，NASA立方體衛(wèi)星任務(wù)的成功給他們提供了靈感，幫助他們下達(dá)了決心。

圖：2018年11月26日，NASA立方體行星在距離火星大約6000公里外的地方拍攝了這張照片

星際衛(wèi)星衛(wèi)星飛行任務(wù)的概念也激發(fā)了人們對(duì)新興太空產(chǎn)業(yè)的興趣。維珍軌道公司特殊項(xiàng)目主管威爾·波梅蘭茨(Will Pmerantz)說(shuō)：“那次任務(wù)引起了我們的注意，我們從中受到了很大啟發(fā)，并且想知道我們還能做些什么?！?/p>

波梅蘭茨表示，在NASA立方體行星任務(wù)結(jié)束后，維珍軌道公司開始接到研究小組關(guān)于LauncherOne的電話。LauncherOne是該公司的小型火箭，由747飛機(jī)帶到高空釋放，然后啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。這種運(yùn)載火箭能將多少有效載荷送入月球軌道？該公司能不能增加第三級(jí)？前往金星、小行星和火星執(zhí)行任務(wù)的想法蜂擁而至。

波蘭科學(xué)家相信，他們可以建造質(zhì)量在50公斤或更小的航天器(每個(gè)立方體行星重量為13.5公斤)，可以拍攝火星及其衛(wèi)星火衛(wèi)一的高質(zhì)量圖像。這樣的航天器還能用于研究火星大氣層，甚至在火星表面下發(fā)現(xiàn)液態(tài)水的儲(chǔ)藏庫(kù)。進(jìn)行低成本發(fā)射是這個(gè)想法被實(shí)踐的關(guān)鍵推動(dòng)因素。

波梅蘭茨指出，如果沒(méi)有這種新的行星探索模式，像波蘭這樣的國(guó)家可能只能作為火星任務(wù)的幾個(gè)次要合作伙伴之一參與，而現(xiàn)在它完全可以自主進(jìn)行探索。波梅蘭茨還說(shuō)：“即使是規(guī)模不算大的太空探索任務(wù)，也能讓波蘭聲名鵲起?！?/p>

小型火箭

在立方體衛(wèi)星和洞察號(hào)著陸器搭乘Atlas V火箭發(fā)射升空的前幾個(gè)月，體積小得多的Electron火箭首次升空，這是由火箭實(shí)驗(yàn)室開發(fā)并從新西蘭發(fā)射的新一代商業(yè)小型衛(wèi)星運(yùn)載火箭，也是第一枚進(jìn)入軌道的此類火箭。小型助推器的近地軌道有效載荷能力約為200公斤。但自從Electron首次亮相以來(lái)，火箭實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開發(fā)了升級(jí)版Photon。

火箭實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)始人彼得·貝克(Peter Beck)表示，該公司相信Photon可以向火星或金星運(yùn)送25公斤有效載荷，向月球運(yùn)送最多37公斤。由于Photon提供了許多深空飛行器的功能，大部分質(zhì)量可以用于搭載傳感器和科學(xué)儀器。貝克說(shuō)：“我們的意思是，只需1500萬(wàn)至2000萬(wàn)美元，你就可以登上月球。我認(rèn)為這對(duì)科學(xué)界來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的、顛覆性的計(jì)劃。”

在Electron能到達(dá)的目的地中，貝克對(duì)金星最感興趣。他說(shuō)：“我認(rèn)為這是我們太陽(yáng)系中的無(wú)名英雄，我們可以從金星那里了解到大量關(guān)于地球的信息?；鹦俏怂忻襟w關(guān)注，但金星才更應(yīng)該受到重視，我們真的想要完成探索金星的任務(wù)?！?/p>

還有其他更大的火箭也在隨之而來(lái)。Firefly公司的阿爾法（Alpha）助推器可以將近1噸有效載荷送入近地軌道，Relativity Space公司則正在開發(fā)可以發(fā)射略高于1噸重物的Terran 1火箭。這些運(yùn)載火箭可能會(huì)把立方體衛(wèi)星送到小行星帶之外，走向木星或更遠(yuǎn)的地方。

最后，SpaceX用更大火箭刺激的低成本發(fā)射革命也可能有所幫助，該公司的獵鷹9號(hào)火箭在可重復(fù)使用模式下發(fā)射成本不到6000萬(wàn)美元，可以廉價(jià)地將更大的航天器送入太空深處。從歷史上看，NASA為科學(xué)研究發(fā)射支付的費(fèi)用是這個(gè)價(jià)格的三倍，甚至更高。

甘愿失敗

當(dāng)然，這其中需要進(jìn)行權(quán)衡。NASA任務(wù)成本如此之高的原因之一是，該機(jī)構(gòu)采取了廣泛的預(yù)防措施，以確保其飛行器不會(huì)在太空環(huán)境中失靈。最終，NASA的大多數(shù)非常復(fù)雜的任務(wù)確實(shí)取得了令人驚嘆的成功。

立方體衛(wèi)星的風(fēng)險(xiǎn)更高，冗余更少。但波梅蘭茨說(shuō)，這沒(méi)關(guān)系。他以NASA的好奇號(hào)月球探測(cè)器任務(wù)為例，該任務(wù)于2011年發(fā)射，耗資25億美元，這些錢足以把100個(gè)微型機(jī)器人送入太陽(yáng)系。即使只有四分之一的任務(wù)有效，那也意味著有25個(gè)迷你好奇號(hào)發(fā)射成功。

圖：用25個(gè)迷你好奇號(hào)取代NASA好奇號(hào)火星探測(cè)器，結(jié)果會(huì)更好嗎？

NASA似乎對(duì)這個(gè)想法持開放態(tài)度，該機(jī)構(gòu)已經(jīng)表示，在尋求控制成本并與商業(yè)伙伴合作實(shí)施新的月球科學(xué)計(jì)劃時(shí)，它將學(xué)會(huì)接受失敗。NASA科學(xué)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人托馬斯·祖爾布?xì)J(Thomas Zurbuchen)表示，當(dāng)NASA試圖將科學(xué)實(shí)驗(yàn)降落在月球上時(shí)，他將容忍某些失誤。他去年表示：“我們并不指望每次發(fā)射和著陸都能成功?！?/p>

在噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，行星科學(xué)家和工程師也持開放態(tài)度。約翰·貝克(John Baker)在實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)著“改變游戲規(guī)則”的技術(shù)開發(fā)和任務(wù)，他說(shuō)，沒(méi)有人愿意花20年或更長(zhǎng)的時(shí)間讓任務(wù)構(gòu)想成為現(xiàn)實(shí)，這期間充滿了不確定性。他說(shuō):“現(xiàn)在，人們想要設(shè)計(jì)和打印它們的結(jié)構(gòu)，添加儀器和航空電子設(shè)備，為它加油并立即發(fā)射。這就是我們的未來(lái)愿景?！?/p>

當(dāng)然，太空飛行仍然充滿了挑戰(zhàn)。許多技術(shù)可以微型化，但推進(jìn)和燃料仍然是難題。然而，甘愿失敗會(huì)帶來(lái)很多新的可能性。貝克最喜歡的設(shè)計(jì)之一是前往金星的“丘比特之箭”（Cupid's Arrow）任務(wù)，類似NASA立方體行星的航天器會(huì)被射入金星大氣層，機(jī)載質(zhì)譜儀將分析大氣樣本。這是可以在月球任務(wù)中作為次要有效載荷發(fā)射的任務(wù)，并利用重力輔助到達(dá)金星。

降低星際任務(wù)成本最令人興奮的方面是，它增加了新參與者的機(jī)會(huì)，像波蘭這樣的小國(guó)以及世界各地的大學(xué)都可以參與其中。貝克說(shuō)：“我認(rèn)為能做的最好的事情就是想辦法降低成本，然后把這項(xiàng)技術(shù)公之于眾。隨著越來(lái)越多的國(guó)家參與太陽(yáng)系探索，我們只會(huì)學(xué)到更多?！?/p>

亞利桑那州立大學(xué)米洛研究所等組織已經(jīng)開始促進(jìn)大學(xué)、新興太空機(jī)構(gòu)、私人慈善機(jī)構(gòu)和小型太空公司之間的合作。從歷史上看，行星科學(xué)家參與任務(wù)的機(jī)會(huì)如此之少，以至于研究人員很難獲得領(lǐng)導(dǎo)大型項(xiàng)目所需的項(xiàng)目管理技能。弗蘭克說(shuō)，隨著更多小型任務(wù)的進(jìn)行，她相信這將增加行星科學(xué)界的多樣性。

她還補(bǔ)充說(shuō)，反過(guò)來(lái)，這將通過(guò)培養(yǎng)和增加全球人才庫(kù)，最終幫助NASA和其他大型太空機(jī)構(gòu)執(zhí)行規(guī)模更大、更具挑戰(zhàn)性的行星科學(xué)任務(wù)，這些任務(wù)仍然需要數(shù)十億美元和大型火箭推動(dòng)。雖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學(xué)任務(wù)，如探測(cè)木衛(wèi)二海洋深處或繞冥王星軌道運(yùn)行，仍將耗資巨大。