微型卫星为采集空间数据辟快捷廉价新途径

今年2月，从国际空间站发射了两个30厘米长的地球观测立方体。

资料来源:美国航天局

萤火虫是一颗长10厘米、高30厘米的人造卫星，大部分由大学生完成。这颗卫星正在发回有关地球伽马射线反射的信息，这是一种由闪电触发并被送入太空的高能脉冲。萤火虫号于去年11月发射，是第一颗研究伽马射线反射的卫星。国家科学基金会地理空间科学部的项目主任特蕾莎·莫雷托·乔根森说:“我认为发回的数据会让我们震惊。”

萤火虫属于一颗立方体卫星。这颗微型卫星的组件价格低廉，而且没有发射成本，因此在科学研究方面正蓬勃发展。自2003年以来，总共发射了130颗立方卫星。去年完成了63项，相当于总数的一半。专家认为立方体卫星至少已经开始为科学研究做出贡献。哈佛-史密森天体物理学中心的太空历史学家乔纳森·麦克道尔说:“10年后，这些小卫星将对科学研究做出巨大贡献，而不仅仅是露面。"

立方体卫星有多种用途，从探测可能引发地震的电磁信号到监测宇宙中细菌蛋白质的产生。一项名为“激发”的任务计划将两颗立方体卫星送出地球轨道。该任务最早将于今年年底启动。两颗卫星将运行150万公里，相当于地球和太阳之间距离的1%。到达指定位置后，由太阳风携带的带电粒子被标绘出来。

立方体卫星在1999年首次发射时最初用于教育。它体积小，易于制作，甚至本科生也能制作。此外，它也有一个标准化的体积，以促进火箭遏制。斯坦福大学的航空工程师罗伯特·特威格斯和加州理工大学的卫星系设计了一个边长10厘米的小盒子。这个体积刚好够容纳通讯单元、太阳能电池板、电池和一些附件。上述物品的总重量只有1000克左右。

从那时起，立方体卫星就势不可挡。2010年，美国航天局发起了立方体卫星发射倡议，通过应用研究项目，每年免费运送12颗或更多的立方体卫星。到目前为止，该计划已经使100多个研究项目受益，其中24颗卫星已经成功到达预定轨道，其余的在等待发射。

此外，大约有12家专门提供标准化配件的企业涌现出来。以加州旧金山的南瓜公司为例。一个底盘大约需要7500美元，一个太阳能电池板大约需要2500美元。Twiggs说一整套立方体卫星不会超过100，000美元，如果有学生不需要付费，费用会更低。

低生产成本促使国家科学基金会在2007年启动了一个项目，鼓励使用立方体卫星，国家科学基金会希望获得更多更快的数据，因为它比价值数百万美元的卫星项目更具成本效益。乔根森负责管理国家科学基金会的立方体卫星项目。他对这个项目的结果感到惊讶。“起初，这纯粹是出于好奇，因为我们需要的是空间气象数据，而长方体卫星对于这次任务来说太小了。”该项目已经耗资1000万美元，其中包括萤火虫项目，每个小项目的成本约为90万美元。

RAX 2号卫星是国家科学基金会的“拳头产品”。像萤火虫一样，RAX 2号卫星由三颗立方体卫星组成。RAX 2号于2011年发射，测量了未来18个月太阳风暴造成的电离层扰动。根据设计，来自强大的地基雷达发射机的信号通过电离层传输到空间，RAX 2号测量散射信号。

与其他立方体卫星项目相比，耗资550万美元的INSPIRE项目更加昂贵，但它将在更靠近太阳的地方监测太阳的影响。随着两颗卫星慢慢分离，它们可以绘制不同尺度的太阳风波动图。喷气推进实验室的安德鲁·克莱什是激励项目的主要研究员。他说:“这将是人类第一次监测到小于10公里的太阳风波动。然而，该项目最重要的意义在于，它证明了立方体卫星能够在地球轨道之外生存，并完成定位和通信工作。”

相关领域的先驱们正在推动立方体卫星的进一步“小型化”。2009年，Twiggs将一颗立方体卫星改造成一个边长5厘米的“便携式魔盒”。第一批新的立方体卫星于2013年11月发射。示范项目的备件成本只有几百美元，包括价值14美元的双向无线电芯片。崔格斯说:“从沃尔玛购买材料来组装卫星是个好主意。”到目前为止，受零件和发射机会的限制，新的立方体卫星还没有大规模商业应用。

有些人喜欢较小的产品。4月18日，一枚SpaceX火箭将一颗价值3万美元的立方体卫星KickSat送入国际空间站。KickSat将在两周内发射到太空，届时104颗邮票大小的“雌蕊卫星”将投入运行。这些“芯片卫星”装有无线电发射器，任何人都可以通过拍卖购买，起价300美元。

目前，“芯片”和“便携式”卫星都只能提供定位和短信服务。然而，华盛顿美国宇航局高级探索系统部门的负责人杰森·克鲁森预测，新型卫星将很快带来回报。立方体卫星的密集层可以提供全方位和死角目标视觉，或者它们可以用于一次性任务。

英国布里斯托尔大学的物理学家和访问学者迈克尔·约翰逊认为土星环可以用立方体卫星来研究。KickSat任务的联合创始人和公司创始人约翰逊说:“你可以选择把一颗价值10亿美元的卫星放在足够安全的距离进行研究，或者你可以从土星环中选择一颗更大的陨石来降落一艘价值1万美元的廉价飞船。”

约翰逊说，设计中的“芯片卫星”非常薄且轻，因此不会因为大气层的反复进出而烧毁。这将使研究人员能够绘制地球高层大气中的风，或者在火星表面建立一个加速器网络。

尽管乔根森尚未意识到“芯片卫星”的光明前景，但她对此持乐观态度。“很难想象一颗‘芯片卫星’能够完成这项工作，但这是立方体卫星出现之前人们所说的。”(段鑫)

《中国科学日报》(2014年4月21日，第三版国际版)

阅读更多关于自然的内容