作者:唐一尘 来源:中国科学报 发布时间:2018/9/13 9:33:58
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动力推进设备助小飞船挣脱地球怀抱

 

“火星立方体一号”(MarCO) 图片来源:NASA/JPL-CALTECH

在过去10年里,廉价的小型卫星相继进入地球轨道,降低了从太空研究地球的成本。现在,这些宇宙飞船已经有足够能力进入深空,或者至少是漫游太阳系。科学家也在为借助小卫星进行廉价、高风险的星际科学研究大胆献策。

“行星学界肯定会‘兴奋起来’。”美国宇航局(NASA)行星科学部负责人Lori Glaze在日前举行的小型深空探测器研讨会上说。今年早些时候,NASA开始征集一项小型行星探测器任务的建议,费用上限为5500万美元。Glaze说,12个团队已经提交了提案,该机构计划在2019年2月选出几名最终入围者。

此外,欧洲也有小型行星探测器计划。“我们现在看到了星际立方体卫星的潜力。”欧洲空间局立方体卫星技术项目经理Roger Walker说。

小型卫星可以由低成本的部件组装而成,并由一枚火箭发射。但是,保证星际飞行的关键系统,包括推进、通信和导航系统,传统上太笨重,无法被容纳在一个“小包裹”里。

不过,一项名为“火星立方体一号”(MarCO)的发射任务于5月进行。这两个与火星“洞察力”号着陆器一起发射的小型探测器,打破了尺寸“魔咒”。

它们由6个标准的10厘米立方体卫星组成,目的是为“洞察力”号在下降时提供一个交流中继。

Glaze说,这将充当先锋。“这些立方体卫星比以往任何时候都飞得更远,它们已经展示了通信中继的能力。”她说。而且,一个展开的无线电天线面板——是立方体卫星本身大小的3倍,能利用立方体卫星有限的太阳能,将少量数据直接传输到地球。

MarCO还展示了由科罗拉多州蓝峡谷技术公司开发的微型制导、导航和控制系统。该公司研发总监Dan Hegel说,这些技术能帮助立方体卫星对太空科学产生吸引力。他说:“以前立方体卫星能做的有限,大家没有动力尝试缩小设备。”该公司将反应轮、陀螺仪和星体追踪器缩小打包到一个售价不到15万美元的系统,恰好占据半个立方体。

但推进力是一个挥之不去的问题。这架小型飞船可能需要改变航向,或者减速以进入轨道。尽管MarCO的推进系统占据了自身的一半,但也只能容纳满足在前往火星途中微调轨道所需要的燃料。而且它靠喷射加压气体前进,这是一种低效的方法。因此,立方体卫星将在完成任务后无助地掠过这颗红色星球。

在地球轨道上的立方体卫星已经测试了太阳帆—— 一种反射箔片,可以从阳光中获得柔和的推力。其他开发商则“押注”于太阳能电力推进系统。

科罗拉多州ExoTerra资源公司制造的一种设备,能利用太阳能电池板产生的电力,用一束电子轰击氙气“燃料”,制造带电的等离子体,最终产生一个微弱的推力。ExoTerra总裁Michael VanWoerkom说,这种比冰球大不了多少的装置叫做霍尔推进器,能比传统火箭更有效地利用燃料。

相关推进技术测试将在2019年底进行,届时NASA的重型运载火箭——太空发射系统将负责其首航。它将携带13个立方体卫星,其中许多集中于月球研究。其中一项任务“月球闪光”的首席研究员Barbara Cohen表示,几乎所有的立方体卫星都使用不同的推进技术。该项目通过向极地环形山的永久阴影区域发射激光确认冰的存在。

此外,更好的推进力可以帮助解决飞向行星的小型卫星面临的另一个问题:缺乏火箭。立方体卫星经常搭乘更大任务的“顺风车”,但是能搭上车的近地轨道以外项目较少。太阳能电力推进系统可以提供帮助。VanWoerkom说,一颗配备了霍尔推进器的小型卫星在几个月内就会从地球飞到月球。

科学家也开始对“小包裹”有了大梦想。美国马里兰大学帕克分校行星科学家Tilak Hewagama甚至想要发射小卫星“拦截”彗星。大多数彗星绕太阳转了很多圈,它们曾经干净的表面已经风化。但几乎每年,天文学家都会发现一些第一次俯冲下来的星体。

Hewagama说,到那时,再开发探测器来研究它们已经太迟了。但是,一颗已经停在稳定轨道上的小卫星可以及时观测到彗星的路线。(唐一尘)

《中国科学报》 (2018-09-13 第3版 国际)
 
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