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从沃尔玛买颗卫星 |
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微型卫星为采集空间数据辟快捷廉价新途径 |
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今年2月，两个30厘米长的地球观测立方体卫星从国际空间站发射升空。
图片来源：NASA
Firefly是一颗长宽各10厘米、高30厘米的人造卫星，大部分由本科生完成。这颗卫星正在传回陆地γ射线反射的信息——γ射线反射是一股由闪电引发并射向太空的高能脉冲。Firefly于去年11月发射升空，是第一颗用于研究γ射线反射的卫星。美国国家科学基金会（NSF）地球空间科学部门项目负责人Therese Moretto Jorgensen说：“我认为，传送回来的数据将令我们感到震惊。”
Firefly属于立方体卫星，这种微型卫星的零件造价便宜，无发射成本，因此在科研领域蓬勃发展。自2003年以来，总计有130颗立方体卫星发射升空；而去年一年就有63颗布置完毕，相当于全部数量的一半。专家认为，立方体卫星至少已经开始为科研作出贡献。哈佛-史密森天体物理研究中心航天历史学家Jonathan McDowell说：“10年之后，这些小卫星将为科研作出巨大贡献，绝非仅仅是露一下脸而已。”
立方体卫星的用途多样，从探测可能导致地震的电磁信号，到监控在宇宙中生产细菌蛋白的过程。而一项名为INSPIRE的任务更是计划将两颗立方体卫星投送到地球轨道之外，该任务最早将在今年年底之前发射。这两颗卫星将跋涉150万公里，这相当于地球到太阳距离的1%；并在到达指定位置之后，绘制太阳风携带的带电粒子图。
立方体卫星于1999年首次面世时原本用于教育领域。它体形小、制作简单，即便是本科生也能制作出来。此外，它还具有标准化的体积，方便火箭容纳。斯坦福大学航空工程师Robert Twiggs和加州州立理工大学卫星部一道设计了一款边长10厘米的小盒子。这个体积恰好足够装下通信单元、太阳电池板、一块电池和一些附属物，以上物品总重大约只有1000克。
此后，立方体卫星势不可挡。2010年，美国宇航局（NASA）启动了立方体卫星发射倡议，每年为12颗或者更多通过申请的研究项目免费运送立方体卫星升空。到目前为止，这一倡议已经惠及了超过100个研究项目，其中有24颗卫星成功抵达预定轨道，其余的卫星则在排队等待升空。
另外，大约有12家专门提供标准化配件的商家如雨后春笋般出现。以加州旧金山市Pumpkin公司举例，一块底盘大约为7500美元，一块太阳电池板在2500美元左右。Twiggs说，一颗立方体卫星全套下来不会超过10万美元，如果有不需要支付报酬的学生帮忙，则费用会更低。
低廉的制作成本促使NSF于2007年启动了一项旨在鼓励立方体卫星使用的项目，NSF希望借此来更多更快地获得数据，因为它比动辄数百万美元的卫星项目要划算得多。Jorgensen负责管理NSF的立方体卫星项目，他对项目取得的成绩感到惊奇。“最开始纯粹是出于好奇，因为我们所需要的是太空天气数据，而立方体卫星体积太小不适合这项任务。”该项目目前已经花费1000万美元，包括Firefly项目在内，每个小项目的花费大约在90万美元。
RAX-2卫星是NSF的“拳头产品”，它与Firefly一样，由3颗立方体卫星组成。RAX-2于2011年发射，并在接下来的18个月里测量由太阳风暴导致的电离层扰动数据。根据设计，强大的陆基雷达发射器发出的信号透过电离层传送到太空中，RAX-2则对散射而出的信号予以测量。
相比其他立方体卫星项目而言，总价550万美元的INSPIRE项目较为昂贵，但它将在距太阳更近的距离监控太阳的影响。随着两颗卫星缓慢地分离，它们能绘制不同规模的太阳风波动。喷气推进实验室的Andrew Klesh是INSPIRE项目的主要研究者，他说：“这将是人类首次监控到规模小于10公里的太阳风波动。但是，该项目最重要的意义在于，它证明了立方体卫星可以在地球轨道外生存，并完成定位和通信的工作。”
相关领域的先行者正在推动为立方体卫星进一步“瘦身”。2009年，Twiggs将一颗立方体卫星改造成边长为5厘米的“便携式魔盒”，首批新型的立方体卫星于2013年11月发射升空。一个示范项目的零件成本只有数百美元，其中包括一块价值14美元的双向无线电芯片。Twiggs说：“从沃尔玛超市选购材料组装卫星，这个主意真棒。”到目前为止，受零部件和发射机会所限，新型立方体卫星还没有大规模的商业应用。
一些人喜欢体形更小的产品。4月18日，SpaceX的一艘火箭将一颗名为KickSat的价值3万美元的立方体卫星运送到国际空间站。KickSat将于两周之后被投送到太空中，届时将有104颗邮票大小的“蕊片卫星”投入工作。这些“芯片卫星”配备有无线电发射器，任何人都可以通过拍卖竞价的方式购买，起价300美元一颗。
目前，无论是“芯片式”还是“便携式”卫星都只能提供定位和短信服务。但是，华盛顿市NASA先进探测系统部门负责人Jason Crusan预测，新型号的卫星将很快带来回报。层层密布的立方体卫星能提供全方位、无死角的目标视野，或将之用于一次性任务。
物理学家、英国布里斯托大学访问学者Michael Johnson认为，可以利用立方体卫星研究土星光环。KickSat任务的合伙创始人兼公司创建者Johnson说：“你既可以选择将造价10亿美元的卫星安置在足够安全的距离进行研究，也可以在土星光环中选择一块较大的陨石，让价值1万美元的廉价飞行器着陆。”
Johnson说，设计中的“芯片式卫星”非常轻薄，因此不会因为反复进出大气层而烧坏。这将使得研究者能够绘制地球高层大气中的风力图，或者在火星表面建设一组加速器网络。
虽然Jorgensen还没有认可“芯片式卫星”的光明前景，但她对此持乐观态度。“很难想象‘芯片式卫星’能够胜任工作，但在立方体卫星出现之前人们也是这样说的。”（段歆涔）
《中国科学报》 (2014-04-21 第3版 国际)
