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        微型衛(wèi)星:可互動的太空機器人

        2022-10-17 04:20:00李偉
        檢察風(fēng)云 2022年19期

        文·圖/李偉

        被動式微型衛(wèi)星

        日本名古屋大學(xué)新近開發(fā)出一種不使用發(fā)動機和燃料,可在太空中飛行并編隊工作的微型衛(wèi)星“MAGNARO”。名古屋大學(xué)計劃于今年10月在內(nèi)之浦宇宙空間觀測站,利用小型固體燃料火箭“埃普西隆6號”發(fā)射該衛(wèi)星,對其有效性進行測試。

        衛(wèi)星分為兩種類型:被動式衛(wèi)星和主動式衛(wèi)星。主動式衛(wèi)星需要借助推進器飛行,即人們通常所說的發(fā)動機,其質(zhì)量和體積都比較大。被動式衛(wèi)星則不必借助燃料產(chǎn)生動力,只須控制飛行方向和穩(wěn)定性。因為不必搭載發(fā)動機,被動式衛(wèi)星可在節(jié)省出的空間安裝望遠(yuǎn)鏡等設(shè)備,同時無需擔(dān)心燃料耗盡。被動式衛(wèi)星更容易實現(xiàn)微型化。如果用于控制其穩(wěn)定性的硬件較輕,那么被動式衛(wèi)星的重量可以減至100千克以下。

        日本“MAGNARO”衛(wèi)星是典型的被動式微型衛(wèi)星。其長、寬、高分別為10厘米、10厘米、34厘米,僅重4.4千克。對于如何解決動力問題,名古屋大學(xué)的研發(fā)團隊沒有透露太多信息。根據(jù)日本媒體目前獲得的信息,“MAGNARO”進入太空軌道后將一分為二,變身為兩顆更小的微型衛(wèi)星。其分離時產(chǎn)生的相互作用力將成為在太空中運行的初始動力。它們可以利用近地軌道上微量空氣分子產(chǎn)生的作用力,自動調(diào)節(jié)飛行姿態(tài)和位置,再借助地球引力實現(xiàn)繞軌飛行。

        主動式微型衛(wèi)星

        目前主流的微型衛(wèi)星是主動式衛(wèi)星。主動式微型衛(wèi)星采用微小的推進系統(tǒng)。電推進技術(shù)是最高效的,包括使用電弧把固體燃料轉(zhuǎn)化為高速等離子體的微陰極電弧推進器,用于生成離子的電噴霧系統(tǒng),可制造高能離子的推進器,以及氣體供給系統(tǒng)。利用電場加速的微型霍爾效應(yīng)推進器,是理想的推進系統(tǒng)。

        新加坡南洋理工大學(xué)、新加坡國立大學(xué)淡馬錫實驗室聯(lián)合本地的多家技術(shù)公司,共同研發(fā)出一種微型遙感衛(wèi)星。新科工程公司在該衛(wèi)星系統(tǒng)開發(fā)和制造過程中提供了重要支持。這顆體積相當(dāng)于小型冰箱、重100千克的衛(wèi)星,預(yù)計將于2025年發(fā)射升空。

        這顆全新的微型衛(wèi)星性能優(yōu)異,可在距離地面250公里的極低地球軌道上運行。它將搭載Aliena公司研發(fā)的節(jié)能發(fā)動機。該發(fā)動機是一種體積較小的霍爾效應(yīng)推進器,能幫助在極低地球軌道上運行的衛(wèi)星克服稀薄氣體的阻力,避免它偏離軌道或進入大氣層。

        研發(fā)團隊還開發(fā)出一款空氣動力學(xué)模型,它能優(yōu)化微型衛(wèi)星的設(shè)計,并測量電離層的等離子和溫度等數(shù)據(jù),以研究近地軌道環(huán)境對衛(wèi)星的影響。

        新加坡科技公司為微型衛(wèi)星研制了一款太空相機。在地面上長度僅0.5米的物體也會被它捕捉到。太空相機采用反光鏡,呈現(xiàn)高清彩色圖像。它可在供應(yīng)鏈監(jiān)測,農(nóng)業(yè)、礦業(yè)及房地產(chǎn)行業(yè)分析等領(lǐng)域發(fā)揮作用。

        負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)這個項目的新加坡南洋理工大學(xué)衛(wèi)星研究中心主任林煒森指出,這顆微型衛(wèi)星最大的優(yōu)點是具備“太空環(huán)保性能”——當(dāng)它完成任務(wù)后,可在穿越大氣層的過程中完全燒毀,不會留下太空碎片。由于地球軌道上出現(xiàn)越來越多的太空碎片,近地軌道上密集運行的衛(wèi)星正面臨威脅。

        美國路易斯安那大學(xué)拉斐特分校的研究人員制造了一顆名為 CAPE-3的微型衛(wèi)星,其直徑不到20厘米,搭載該大學(xué)自主設(shè)計制造的芯片。進入近地軌道后,CAPE-3圍繞地球快速飛行,能夠?qū)⒂嘘P(guān)太空輻射的數(shù)據(jù)發(fā)送給空間站或飛船中的宇航員。

        該項目負(fù)責(zé)人保羅·達比博士表示:“微型衛(wèi)星上的探測器將提供液晶顯示讀數(shù),這樣宇航員就可以持續(xù)監(jiān)測他們受到的輻射劑量?!贝送?,這顆衛(wèi)星還搭載了微型蓋革計數(shù)器,這樣人們就可以判斷其芯片的運算是否準(zhǔn)確。

        CAPE-3以每小時超過2.7萬公里的速度繞地球飛行。這是路易斯安那大學(xué)拉斐特分校參與“微型衛(wèi)星發(fā)射計劃”開發(fā)的第3顆衛(wèi)星,旨在為科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)領(lǐng)域的研究人員提供幫助。

        美國航空航天局(NASA)系統(tǒng)安全工程師里茲萬·莫錢特表示,研究人員正從該衛(wèi)星接收數(shù)據(jù),以便評估其每一項功能,并確保所有系統(tǒng)都正常運行。

        需要標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計方案

        目前全球各國已經(jīng)將超過800顆微型衛(wèi)星送入太空軌道。有些微型衛(wèi)星由手掌大小的模塊構(gòu)成,邊長約10厘米,重量僅1千克左右。

        科學(xué)界需要標(biāo)準(zhǔn)化的微型衛(wèi)星設(shè)計方案,以加快其研發(fā)、生產(chǎn)及投入使用的速度,同時降低成本。它必須能夠兼容各種科學(xué)儀器,并在必要時保護敏感的零部件免遭高溫和放射線的侵害。

        早在2018年3月,IBM公司就展示了一個裝有100萬個晶體管,卻僅有鹽粒般大小的微型計算機。這類設(shè)備體積越小,運行所需的能源越少,微型衛(wèi)星的重量就越輕,其發(fā)射所需的成本也就越低。

        盡管業(yè)界仍然熱衷諸如“獵鷹9號”這樣的大型運載火箭(能夠運載幾百顆衛(wèi)星),但一些新興公司正在開發(fā)微型火箭,例如美國亞利桑那州的Vector Launch公司、得克薩斯州的Firefly Aerospace公司、澳大利亞昆士蘭州的Gilmour Space Technologies公司。微型火箭造價相對低廉,生產(chǎn)速度快。其重量只有幾噸——遠(yuǎn)不及重達500噸的“獵鷹9號”運載火箭或733噸的“德爾塔4號”重型運載火箭。微型火箭配有小型簡易發(fā)動機(使用固體燃料),一次能夠把幾十顆微型衛(wèi)星發(fā)射到近地軌道,而且可以頻繁發(fā)射。

        未來的衛(wèi)星星座

        成千上萬顆微型衛(wèi)星可以作為一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來運行。不同于利用一顆衛(wèi)星來執(zhí)行一項任務(wù),衛(wèi)星星座由成千上萬顆衛(wèi)星組成,具有更廣闊的應(yīng)用前景。它們搭載的儀器可以同時工作。例如,多顆微型衛(wèi)星組成編隊,可以分別監(jiān)測地球大氣中的云、氣溶膠、溫室氣體和其他氣體,并提供氣候和天氣預(yù)測模式,以及進行大氣污染評估。

        衛(wèi)星星座可以有多種配置方式,例如在同一軌道上一個接一個編隊,聯(lián)合觀測地球表面,未來還可能觀測月球和火星表面。

        多個微型衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可以連接在一起,以增強它們的功能、適應(yīng)性和反應(yīng)能力。一些微型衛(wèi)星配備特殊的設(shè)備后,可以用來修理、調(diào)整其他衛(wèi)星。

        數(shù)千顆微型衛(wèi)星可以由一顆大型中央衛(wèi)星搭載,在太空軌道上釋放出來。它們能夠接收和發(fā)送信號,可與數(shù)量較少、體積較大且具備機動能力,可充當(dāng)通信或分析中心的大型衛(wèi)星配合工作。

        最終,微型衛(wèi)星組成的星座可能像神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)那樣運行。我們可以充分利用微型衛(wèi)星的群體屬性,比如自我組織能力、可變形性、自主學(xué)習(xí)能力和感知大范圍空間的能力——如同波蘭科幻作家斯坦尼斯拉夫·萊姆在《無敵》(The Invincible)一書中設(shè)想的那樣——未來的太空中將布滿能夠?qū)崿F(xiàn)互動的微型機器人。

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