納型衛(wèi)星揚(yáng)“帆”起航

路易斯·弗萊德曼

譯/ 康寧

“宇宙1”號(hào)太陽(yáng)帆飛船發(fā)射失敗后，行星協(xié)會(huì)理事會(huì)的成員，尤其是安·德魯伊恩，仍然對(duì)太陽(yáng)帆項(xiàng)目給予了堅(jiān)定的支持。她鼓勵(lì)我不要放棄，盡快從挫折中恢復(fù)自信。安是一位企業(yè)家，對(duì)“宇宙工作室”充滿了濃厚的興趣，和我一起努力尋找新的贊助商和捐助人。媒體公司似乎是一個(gè)很自然的選擇，她成功地從美國(guó)探索頻道獲得了種子基金，這筆資金使我們能夠?qū)Α坝钪?”號(hào)的失敗進(jìn)行調(diào)查，并重新設(shè)計(jì)成本少、風(fēng)險(xiǎn)低的新型微型航天器。

NASA的“納米帆—D”納型衛(wèi)星太陽(yáng)帆飛船

但美國(guó)探索頻道的資助只是基本資金，我們并沒(méi)有爭(zhēng)取到其他媒體公司的支持。終于，4年之后，一個(gè)偶然的機(jī)遇出現(xiàn)了，我們既獲得了資金支持，又得到了技術(shù)支持，新的太陽(yáng)帆項(xiàng)目開(kāi)始了。技術(shù)方面的機(jī)遇來(lái)自NASA 的“納米帆-D”航天器項(xiàng)目，該項(xiàng)目成本低，富有創(chuàng)意，是ASA 下屬的兩家研究中心——艾姆斯研究中心和馬歇爾航天飛行中心——開(kāi)展的?！凹{米帆-D”航天器也曾遭遇過(guò)與“宇宙1”號(hào)太陽(yáng)帆飛船相同的命運(yùn)：2008年8月，在新型商業(yè)化火箭——“獵鷹”號(hào)——的首航中，該航天器發(fā)射失敗，消失在茫茫太空中?！凹{米帆-D”航天器的飛行計(jì)劃就此終結(jié)，但NASA有一艘閑置的飛船，如果我們能確保其發(fā)射，NASA將把這艘飛船送給行星協(xié)會(huì)。

我們當(dāng)然同意。但經(jīng)過(guò)6個(gè)月的談判，NASA卻改口了。他們找到了另一家合作伙伴——美國(guó)國(guó)防部，共同建造FASTSAT衛(wèi)星。而那時(shí)，我和吉姆·坎特雷爾（行星協(xié)會(huì)太陽(yáng)帆研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、系統(tǒng)設(shè)計(jì)師）正著迷于納米帆的超輕量設(shè)計(jì)。我們與托馬斯· 斯維特克合作，他經(jīng)營(yíng)著一家著名的私人航天技術(shù)研發(fā)公司——星際探索公司，同時(shí)也是納米航天器設(shè)計(jì)方面的專家。經(jīng)過(guò)

考慮，我們認(rèn)為我們實(shí)際上并不需要那艘閑置的納米帆航天器，而是需要把自己設(shè)計(jì)的航天器重新改進(jìn)。

與“納米帆-D”飛船設(shè)計(jì)不同，我們的航天器擁有一套控制系統(tǒng)、雙向無(wú)線電通信以及車載成像攝像機(jī)，并且可以發(fā)射到足夠高的軌道，而不必考慮太陽(yáng)帆在飛行時(shí)遇到的阻力。所有這些都是“納米帆-D”飛船所不具備的。與第一艘利用私人資金建造的太陽(yáng)帆飛船“宇宙1”號(hào)相比，我們率先采用了輕量小巧的設(shè)計(jì)，使成本更低，也更實(shí)用。這是一個(gè)極具創(chuàng)新的想法，將會(huì)產(chǎn)生新一代低成本、用于特殊任務(wù)的航天器。我們可以搭上新興的立方體衛(wèi)星行業(yè)的便車，在世界

各地不同類型的火箭上進(jìn)行第二次發(fā)射。吉姆·坎特雷爾、托馬斯·斯維特克和我共同組建了一個(gè)新的太陽(yáng)帆團(tuán)隊(duì)，來(lái)努力完成這一使命，即“光帆”飛船。

吉姆·坎特雷爾最初來(lái)到行星協(xié)會(huì)工作是在20世紀(jì)80年代末，當(dāng)時(shí)他還是一名猶他州立大學(xué)的學(xué)生，參與了我們的火星氣球和火星探測(cè)器項(xiàng)目。猶他州有一個(gè)出色的航空航天工程部門，是在弗蘭克·雷德教授和吉爾伯特·摩爾博士的召集下成立的。弗蘭克·雷德教授是微型航天器開(kāi)發(fā)的先行者，而吉爾伯特·摩爾博士極具創(chuàng)新思想，為年輕人創(chuàng)造了意義非凡而又令人興奮的教學(xué)項(xiàng)目。吉姆和另一名學(xué)生喬治·鮑威爾幫助行星協(xié)會(huì)創(chuàng)立了第一批私人資助的行星探索項(xiàng)目，

之后二人繼續(xù)開(kāi)始他們的工程和商業(yè)生涯。吉姆成為火星氣球領(lǐng)域的專家，20世紀(jì)90年代，行星協(xié)會(huì)將他“租借”給法國(guó)太空局，以幫助他們研發(fā)一項(xiàng)俄羅斯航天飛行的項(xiàng)目。在此之后，吉姆參與了大量國(guó)防和民用太空計(jì)劃，其中包括國(guó)防項(xiàng)目中的國(guó)際合作計(jì)劃。他也是猶他州立大學(xué)培養(yǎng)出來(lái)的微型飛船革命的開(kāi)拓者之一。如今，他一心撲在航空航天工程（擁有自己的公司）和泛美跑車賽上了。在整個(gè)航空航天領(lǐng)域，他擁有廣泛的人脈，從商業(yè)化、學(xué)術(shù)型的小衛(wèi)星開(kāi)發(fā)商到大型國(guó)防項(xiàng)目的承包商，他都保持著聯(lián)系。

航空航天業(yè)的很多人（特別是年輕人）都參與了新型立方體衛(wèi)星和納米衛(wèi)星的研發(fā)。許多業(yè)界資深人士將這類衛(wèi)星視為“玩具”，認(rèn)為它只對(duì)教學(xué)有用，而解決不了任何實(shí)際問(wèn)題。不可否認(rèn)，納米衛(wèi)星航天器的開(kāi)發(fā)還處于起步階段，但技術(shù)會(huì)越來(lái)越好，應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越實(shí)際。

托馬斯·斯維特克是我的同事，也是我的朋友。他在立方體衛(wèi)星和微型航天器領(lǐng)域知識(shí)淵博。托馬斯是加州理工學(xué)院杰出的博士，我認(rèn)識(shí)他時(shí)，他還在他的老家捷克斯洛伐克讀書。那時(shí)他就對(duì)太陽(yáng)帆產(chǎn)生了濃厚的興趣，并寫信給我（當(dāng)時(shí)我是噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室太陽(yáng)帆研發(fā)項(xiàng)目的主持人），信中附有他撰寫的關(guān)于太陽(yáng)帆的論文。之后，我們進(jìn)行過(guò)多次通信交流，終于我們?cè)?982年的巴黎國(guó)際宇航大會(huì)上見(jiàn)面了。幾年后，我在布拉格參加“國(guó)際哈雷觀測(cè)”大會(huì)時(shí)，再次見(jiàn)到了

他。在一家小酒館，我們品味著上好的捷克啤酒，托馬斯告訴我，他和家人正計(jì)劃前往美國(guó)。我把他的大學(xué)成績(jī)單交給加州理工學(xué)院，這樣他被錄取為博士生，師從布魯斯·默里教授。

托馬斯非常專注于建造各種用于太空飛行的裝置，包括各種儀器、子系統(tǒng)，甚至一艘完整的航天器（即我們?cè)O(shè)計(jì)的“光帆”）。他在加利福尼亞州圣路易斯奧比斯波市創(chuàng)辦了自己的公司——星際探索公司（之所以選擇該市，是因?yàn)檫@里是居家生活的理想之地，同時(shí)加州州立理工大學(xué)航空航天工程部也坐落于此）。加州州立理工大學(xué)在立方體衛(wèi)星研發(fā)與飛行體驗(yàn)領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平。

? ? “光帆”的四個(gè)雙面太陽(yáng)能電池板合在一起，航行開(kāi)始前可以彈開(kāi)。兩張電池板上安裝了攝像機(jī)。

托馬斯、吉姆和我粗略地估計(jì)，建造和發(fā)射宇宙飛船需要大約180萬(wàn)美元。這筆錢超出了行星協(xié)會(huì)從普通會(huì)員捐款中可以籌集到的數(shù)額。與“宇宙1”號(hào)一樣，我們需要一個(gè)大贊助商或捐助人來(lái)承擔(dān)大部分資金，然后才能依靠協(xié)會(huì)會(huì)員的支持。2009年年中，偶然的融資機(jī)會(huì)到來(lái)了，我們的研發(fā)總監(jiān)安德莉亞·卡羅爾告訴我們，一名來(lái)自得克薩斯州的行星協(xié)會(huì)會(huì)員在我們的公共郵箱留言說(shuō)，他對(duì)我們的太陽(yáng)帆項(xiàng)目非常感興趣，并且有提供大筆資金的渠道。安德莉亞和那位會(huì)員見(jiàn)面交談后，確信他是誠(chéng)心誠(chéng)意的。我們邀請(qǐng)他在帕薩迪納見(jiàn)面。早餐時(shí)他問(wèn)我：“如果我給你100萬(wàn)美元，能夠嗎？”我脫口而出：“夠！”我想安德莉亞肯定對(duì)我如此之快的答復(fù)感到吃驚，但是我心里有數(shù)，有了這筆資金，剩下的錢就好籌集了。最終，我們握手成交。我得到行星協(xié)會(huì)理事會(huì)的許可，于2009年9月與吉姆、托馬斯一起正式開(kāi)始“光帆”項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)。

“納米帆-D”航天器是一個(gè)三單元立方體衛(wèi)星，兩個(gè)單元用于航行儲(chǔ)備，一個(gè)單元用于電子運(yùn)算。觀看動(dòng)畫演示時(shí)，你會(huì)感覺(jué)一艘很小的飛船卻配了一個(gè)巨大的帆。

立方體衛(wèi)星上的單元每邊長(zhǎng)大約10厘米，整個(gè)飛船可被裝進(jìn)一件登機(jī)攜帶的行李箱中。“光帆”的設(shè)計(jì)是第一款全功能立方體衛(wèi)星飛船，包括姿態(tài)控制、無(wú)線電、攝像機(jī)、太陽(yáng)能和電池電源，以及用于命令、控制和數(shù)據(jù)處理的板載計(jì)算機(jī)?！肮夥憋w船上帆的面積是“納米帆-D”飛船上帆的面積的2倍，帆可以塞進(jìn)立方體衛(wèi)星中，這使我確信這種納型設(shè)計(jì)將引領(lǐng)星際飛行的未來(lái)。

2012年4月，我完成了航天器的開(kāi)發(fā)。然而，盡管被NASA的納米衛(wèi)星教育發(fā)射計(jì)劃項(xiàng)目選中（通過(guò)與NASA艾姆斯研究中心的合作協(xié)議），但是一直沒(méi)有合適的機(jī)會(huì)將我們的航天器發(fā)射到足夠高的軌道。我們的航天器與其他基于立方體衛(wèi)星的航天器不同，因?yàn)槲覀冃枰l(fā)射到超過(guò)800千米以外的太空，高于地球的大氣層，以便航天器能夠在太陽(yáng)輻射壓力下飛行，而不會(huì)受到大氣分子的阻力。2012年5月4日，經(jīng)過(guò)一周全面的端到端系統(tǒng)測(cè)試、機(jī)電測(cè)試和通信系統(tǒng)測(cè)試后，我

們將航天器進(jìn)行密封存儲(chǔ)，等待發(fā)射機(jī)會(huì)的到來(lái)。不過(guò)我們?nèi)杂幸恍┕ぷ饕觯浖€不夠完善，在最終發(fā)射之前需要更新，對(duì)于無(wú)線電裝置，我們也沒(méi)有完全的信心。由于資金周轉(zhuǎn)、航天器存儲(chǔ)以及發(fā)射日期未定等因素，行星協(xié)會(huì)理事會(huì)決定暫時(shí)把這個(gè)項(xiàng)目擱置到下一年。

彼時(shí)我開(kāi)始擔(dān)任項(xiàng)目總監(jiān)一職。行星協(xié)會(huì)最終還是沒(méi)有得到NASA的高軌道發(fā)射機(jī)會(huì)，只在2015年獲得了一個(gè)低軌道發(fā)射機(jī)會(huì)，可以對(duì)我們的備用航天器進(jìn)行部署測(cè)試。我們組建了一個(gè)新的團(tuán)隊(duì)，完成了測(cè)試并準(zhǔn)備發(fā)射。我們還與佐治亞理工大學(xué)簽署了合作協(xié)議，把他們的Prox-1航天器（“Prox”代表近距離）部署在我們的航天器旁。Prox-1是他們?yōu)槊绹?guó)空軍開(kāi)發(fā)的航天器。

屆時(shí)Prox-1將能夠用于觀測(cè)我們的“光帆”航天器，這簡(jiǎn)直太棒了。遺憾的是，Prox-1的發(fā)射高度（“光帆”的高度同樣如此）將略低于所需的800千米高度，但是對(duì)太陽(yáng)帆飛行而言也足夠高了。

行星協(xié)會(huì)在太陽(yáng)帆方面付出的努力，首先推動(dòng)了技術(shù)的發(fā)展，有朝一日這項(xiàng)技術(shù)將把人類帶往太空;其次，這是人類首次利用光的力量來(lái)推進(jìn)航天器在太空飛行。完成了第一艘太陽(yáng)帆飛船（“宇宙1”號(hào)）的建造時(shí)，我們認(rèn)為成功就在眼前，但2005年發(fā)射失敗了。2009年我們啟動(dòng)了設(shè)計(jì)“光帆”的新嘗試，但在我們建成之前，日本宇航探索局成功地發(fā)射了“伊卡洛斯” 號(hào)太陽(yáng)帆飛船，“伊卡洛斯”號(hào)也因此被載入吉尼斯世界紀(jì)錄大全。我們感到風(fēng)已經(jīng)不再吹向我們這邊了，別人搶在了我們前頭。然而，積極的一面是，我們的設(shè)計(jì)引起了迅速發(fā)展的微型飛船界的關(guān)注，并為NASA的“新愛(ài)迪生”計(jì)劃和噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的星際立方體衛(wèi)星項(xiàng)目打下基礎(chǔ)。我們的研究正在傳承給我們的下一代。

目前，有幾個(gè)研究團(tuán)隊(duì)正在建造太陽(yáng)帆飛船，并計(jì)劃在未來(lái)幾年內(nèi)飛行。英國(guó)薩里大學(xué)開(kāi)發(fā)的太陽(yáng)帆飛船與我們的“光帆”飛船非常相似。薩里大學(xué)的飛船基于立方體衛(wèi)星設(shè)計(jì)，名為“立方體帆”，體積比“光帆”還要小，其意圖不在于使用太陽(yáng)帆飛行，而是作為大氣阻力制動(dòng)器在低地球軌道上清除衛(wèi)星碎片?！凹{米帆-D”的用途也是如此。他們希望開(kāi)展商業(yè)化開(kāi)發(fā)，以幫助衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商解決日益受到關(guān)注的軌道衛(wèi)星碎片問(wèn)題。

與伊利諾伊大學(xué)緊密合作的CU航空公司的項(xiàng)目也被稱為“立方體帆”，目的是在大氣層中飛行，開(kāi)展測(cè)量工作。把這些利用帆在大氣層中飛行的航天器統(tǒng)稱為“太陽(yáng)帆”，多少有點(diǎn)學(xué)究氣。

2009年，路易斯-弗萊德曼和比爾·奈依在檢查太陽(yáng)帆。

更重要的是，NASA對(duì)太陽(yáng)帆產(chǎn)生了濃厚的興趣。最近，NASA批準(zhǔn)了兩項(xiàng)基于“光帆”設(shè)計(jì)的納型衛(wèi)星太陽(yáng)帆任務(wù)，一項(xiàng)被稱為“月球閃光燈”（Lunar Flashlight），另一項(xiàng)被稱為“近地小行星偵察兵”（NEA Scout）。這兩項(xiàng)任務(wù)意義非凡，因?yàn)轱w船將飛越低地球軌道完成科研目標(biāo)?！凹{米帆-D”和“光帆”都是三單元立方體衛(wèi)星設(shè)計(jì)（三個(gè)立方體衛(wèi)星）， 而“月球閃光燈”和“近地小行星偵察兵”則是六單元，質(zhì)量是“納米帆-D”和“光帆”的2倍，帆展面積是“納米帆-D”和“光帆”的3倍。但“月球閃光燈”和“近地小行星偵察兵”仍然屬于納型衛(wèi)星。由于大型太陽(yáng)帆飛船項(xiàng)目被取消，現(xiàn)在看來(lái)，這兩艘飛船中的一個(gè)將成為NASA的第一艘太陽(yáng)帆飛船。

在宇宙的海洋中自由航行的時(shí)間似乎終于到了。人類正在忙于制造第一艘真正的太陽(yáng)帆飛船，技術(shù)的進(jìn)步提高了深空航行所需的性能和設(shè)計(jì)能力。