超微型人造卫星渐成研究热点

时间:19-12-22 栏目:天文科学 作者:wenkula 评论:0 点击: 225 次




CubeSat模拟图


  随着电话、计算机以及数码相机小型化技术的发展和日益完善,人造卫星的小型化也逐渐进入了人们的视野。由于这种重量小于10公斤的超微型卫星,设计简便、制造及发射成本低廉,极有可能改变人类探索宇宙的方式,并为天体生物学等新兴学科开辟出新的发展空间。


  在选择笔记本电脑和手机时,很多人都希望它们越小巧越好。同样的逻辑也适用于卫星的设计和制造。因为与小型卫星相比,大型卫星不仅需要大量的时间和资源来进行设计和建造,将其送入轨道也是一笔相当大的开支。如果有些任务由成本更低的小卫星也能很好地完成,那为什么不呢?


  有鉴于此,通过先进的微机电一体化系统技术,科学家们正在研制一种在重量和成本上都远远小于其前辈的迷你卫星。这种可小至手掌大小的小卫星甚至可以直接放进你的口袋里。但麻雀虽小五脏俱全,常规卫星有的主要部件它们全都有:电池、轨道控制和定位系统、无线电通讯系统、分析仪器等。不同的只是在于超微型卫星上所有的元件在尺寸上更小,集成程度更高,在结构设计上比常规卫星更简单,成本上也更加低廉。正如美国国家宇航局艾姆斯研究中心的天体生物学家奥兰多·桑托斯所说:“它们的奇妙之处正在于此。”


  来自美国宇航咨询公司蒂尔集团的一份报告显示,全球近4年来发射的超微型卫星的数量比过去16年的总和还多,而未来5年其国际市场预计还将增长40%。


  能放进口袋的精巧“魔方”


  常规卫星一般多用于通讯、导航或科学研究,充分展开后体积与一辆中巴车大小相当,重量一般在500公斤左右,即便如此,以重量为标准的卫星分类法中它也只能算是小卫星。而超微型卫星则比小型卫星还要小得多,大于1公斤而小于10公斤的被称为纳卫星(NanoSat),小于1公斤的被称为皮卫星(PicoSat)。


  实际上,微小卫星的历史几乎与人类航天事业一样长,卫星试验最初就是从微小卫星开始的,不过那时的小卫星集成化程度低、功能单一只能算是简单小卫星。1993年,美国航空航天公司在一份研究报告中首次对小型卫星进行了定义,对小卫星,微卫星和纳卫星进行了划分。


  但超微卫星研究的真正起步却始于本世纪初的一项名为“CubeSat”国际间科学研究项目,它使CubeSat逐渐在世界范围内成为了超微型卫星的通用标准。CubeSat意为立方体卫星,这种卫星从外形上看是一个边长为10厘米的立方体,输出功率相当于手机,重量不足1公斤。参与CubeSat卫星研制任务的美国科学家特威格斯说:“我当初用一个盒子做实验,在上面贴太阳能电池板,看看到底多大面积太阳能电池获得的电能才能达到我所需要电压。最后,我决定就采用10厘米这个尺寸。”之后,美国加州理工学院的科学家乔迪·普伊格萨瑞又完善了这一系统,通过一个被称为P-POD的装置,用三颗CubeSat卫星组成了CubeSat实验平台。其中的一颗是传统的卫星平台,搭载定位系统和无线通讯系统,相当于整个卫星系统的大脑,而另外的两颗卫星则主要携带实验设备。


  2004年,第一套CubeSat三星平台被送入轨道。如今这些卫星开始被广泛用于环境遥感观测和一些基础生物学研究当中。特威格斯称,目前在全球至少有60所大学和研究院所参与CubeSat卫星项目研究,在近地轨道上至少有35颗到40颗此类卫星运行,其中约有四分之一仍在正常工作。


  最爱“拼车”去太空


  超微卫星的最大优势是其低廉的成本,而其中节省的最大部分在发射阶段。这些超微卫星不像常规卫星那样,需要专门的运载工具将其作为首要荷载进行发射。它们一般都通过在发射其他卫星或飞行器时“搭顺风车”或者与多颗超微卫星一同“拼车”的方式发射升空。据了解,美国宇航局超微卫星的发射任务一般仅需花费200万美元,与动辄数千万美元的常规卫星发射任务相比,这只能算是个零头。


  成本的节省同时也来自于现成的小型电子电路芯片,如微处理器,射频发射和接收器等。这些组件与智能手机、手持式全球定位系统以及数码相机内部的元件并没有太大不同。


  事实上,电子元件的小型化、集成化一直以来都是推动超微型卫星技术发展的动力,它们让超微型卫星越来越“实惠”。特威格斯说:“集成电路技术的发展让电子元件的效率和处理能力发生了翻天覆地的变化,十几年前我们几乎很难找到可用的小型化电子元件,而现在以不高的价格就可以买到。”


  不可小视的“小不点”


  成本低和周转时间短让超微卫星在教育领域有着无可限量的应用前景。自发起之初,这一项目就吸引大量的学生和年轻的工程师,通过一些国际组织和跨国企业的资助,他们可以亲身参与从设计建造到发射的整个过程。对新一代科学家的培养来说,超微型卫星无疑提供了一个实现梦想的平台。


  借助微流技术和小型化光学探测技术的发展,超微型卫星在天体生物学的应用上已经比较成熟。在那里你可以对充满大量宇宙射线和失重条件下的有机体以及与生命形式联系密切的化合物进行研究。诸如“如果直接暴露在宇宙空间中会怎么样?”或者“太空环境中微生物是否会污染科研设备?”这样的问题也会得到直接的解答。迄今为止,美国航天局已经发射了两颗用于天体生物学实验的超微型近地轨道卫星,距离地表的高度分别是450公里和550公里。名为“GeneSat”的卫星于2006年12月发射升空,目的是研究太空环境对细菌的影响;名为“PharmaSat”的卫星于2009年5月发射升空,目的是研究失重条件下抗菌剂对酵母菌发酵作用的影响;而即将发射的“O/OREOS”卫星将于今年晚些时候发射升空,运行在650公里高的地球轨道上,对宇宙射线以及失重对微生物和生物化合物的影响进行研究。


  由于超微卫星在行动上更为灵活,结构上更为可靠,它们也极有可能被用作探索太阳系甚至更远太空空间。它们可以沿着其他行星的轨道运行或者登陆这些行星的表面,对该星球上的化合物以及是否存在生命等状况进行探测。


  此外,超微卫星还有一项任何大型卫星都难以企及的“独门秘籍”,那就是分布式布局,编队飞行。由于体积小,成本低,可多颗同时发射升空,超微型卫星常常会以星群的方式布局使用。达到一定规模后其作用将超过单颗大型卫星,并且即便少数卫星出现故障或受损也不会导致整个系统失灵。


  毫无“野心”火中“牺牲”


  超微卫星当然不会取代它们的“大个子兄弟们”,因为还有不少实验需要更大面积的太阳能电池板来提供更多的能源,需要功率更大的天线来进行通信。正如特威格斯所说:“没必要让每个人都驾驶微型车,还必须有其他大型车辆来装载更大的东西。”


  除此之外,小卫星也不会增加恼人的太空垃圾问题,因为它们非常容易脱轨。在任务结束后,电池即将耗尽的超微型卫星会在指令的指引下坠入地球大气层。由于这些卫星体积和重量都非常小,一般在还未达到地面时就会被完全烧毁。


  目前,特威格斯正在与罗马大学的研究人员一起研究一种比CubeSat卫星更小,边长只有5厘米的立方体卫星。由于其容量只有常规CubeSat卫星的八分之一,研究人员希望其造价会更加便宜。如果计划顺利,2011年春季时将有8颗这样的超微卫星搭载俄罗斯的运载火箭进入太空,成为CubeSat卫星的新伙伴。


科技日报 王小龙



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