“瓦力”“愛娃”：火星附近第一對(duì)人造小不點(diǎn)

文/李會(huì)超

▲太空飛行效果圖

一個(gè)只有臺(tái)式電腦機(jī)箱一半大小的小家伙，從地球發(fā)射之后，可以像先前的那些大塊頭探測(cè)器一樣，在6個(gè)多月的時(shí)間內(nèi)走過從地球到火星的漫漫長路，最終到達(dá)火星附近，是不是非常神奇？5月5日，被命名為”瓦力“(Wall-E)和“愛娃”(Eva)的兩顆立方體小衛(wèi)星和洞察號(hào)火星探測(cè)器一起，由宇宙神5火箭發(fā)射升空，開始了她們的火星之旅。

名字的由來

喜歡皮克斯動(dòng)畫電影的讀者一定不會(huì)對(duì)”瓦力“和“愛娃”的名字感到陌生。在電影《機(jī)器人總動(dòng)員》中，機(jī)器人瓦力和愛娃的故事讓無數(shù)影迷為之動(dòng)容。此次發(fā)射升空的這兩顆立方星，其正式名稱為MarCo-A和MarCo-B(MarCo是Mars Cube One的簡(jiǎn)稱)。由于它們的推進(jìn)器工作時(shí)會(huì)將一種冷的氣體噴出，和電影里“瓦力”和“愛娃”在太空中飛行時(shí)的動(dòng)力來源相似，因此才獲得了這兩個(gè)可愛的昵稱。

她們的形狀

立方星是衛(wèi)星家族中的小不點(diǎn)，其概念最早由美國加州理工大學(xué)和斯坦福大學(xué)提出。立方星由邊長為10厘米、質(zhì)量一般在1千克左右的或更輕的立方體功能單元構(gòu)成。單獨(dú)使用一個(gè)這樣的功能單元，就能設(shè)計(jì)制造一顆能在太空中工作的衛(wèi)星。將2個(gè)、3個(gè)或6個(gè)這樣的功能單元拼裝在一起，可以構(gòu)成功能更豐富的立方星。目前，已經(jīng)有數(shù)百顆立方星被發(fā)射到了太空之中。這些立方星一般采用“搭車發(fā)射”的方式，即利用大型航天器發(fā)射時(shí)，火箭的富余運(yùn)載能力發(fā)射。此次去往火星的“瓦力”和“愛娃”，都是6U立方星，即由6個(gè)立方體功能單元組成的衛(wèi)星，長、寬、高分別為36.6厘米、24.3厘米和11.8厘米。立方星一般采用成熟的商業(yè)貨架產(chǎn)品作為配件，體積質(zhì)量較小，研發(fā)、制造和發(fā)射成本都比較低，特別適合于新技術(shù)的驗(yàn)證試驗(yàn)和大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)在經(jīng)費(fèi)有限的情況下開展與空間有關(guān)的研究。在“瓦力”和“愛娃”之前，所有的立方星都工作在地球附近，而“瓦力”和“愛娃”是人類歷史上第一對(duì)脫離地球引力束縛、飛入行星際空間的立方星。

▲《機(jī)器人總動(dòng)員》中的瓦力（左）和愛娃（右）

▲工程師在測(cè)試瓦力和愛娃（其中一顆）的功能。圖中與地面垂直的黃色平板即為X波段通信使用的高增益天線

個(gè)頭小作用大

“瓦力”和“愛娃”的功能和設(shè)計(jì)是一模一樣的。在本次任務(wù)中，她們互相作為彼此的備份，完成“洞察號(hào)”著陸火星時(shí)的通信中繼任務(wù)。如果沒有這兩個(gè)小家伙，“洞察號(hào)”也能借助目前正在環(huán)繞火星工作的火星勘測(cè)軌道飛行器進(jìn)行與地球的通信中繼。然而，由于火星勘測(cè)軌道飛行器的軌道高度距離火星表面僅幾百公里，與地球間的通信鏈路可能會(huì)因火星的遮擋而中斷，地面控制人員也需要等待一個(gè)小時(shí)左右才能收到從火星傳來的信息。按照計(jì)劃，在“洞察號(hào)”著陸前的關(guān)鍵飛行過程中，“瓦力”和“愛娃”將以距離火星表面3500公里的距離飛掠火星。在此期間，“瓦力”和“愛娃”可以始終和地球保持聯(lián)系，地面控制人員只需等待幾分鐘，就可以獲取“洞察號(hào)”在著陸火星的關(guān)鍵飛行過程中的狀態(tài)。

為了完成通信中繼任務(wù)，“瓦力”和“愛娃”裝配了兩個(gè)頻段的通信設(shè)備。一組通信設(shè)備工作在特高頻（UHF）頻段，用于與“洞察號(hào)”通信。另一組通信設(shè)備工作在X頻段，用于和地球通信。和我們印象中常見的“大鍋”式天線不同的是，洞察號(hào)采用了一種平板式X波段通信天線，能夠以較小的體積實(shí)線較高的通信增益。

“瓦力”和“愛娃”雖然是兩個(gè)小不點(diǎn)，但它們?nèi)ネ鹦堑娘w行卻是獨(dú)立完成的。在宇宙神5火箭發(fā)射“洞察號(hào)”的過程中，“洞察號(hào)”安裝在了半人馬座上面級(jí)的頂部，也就是安裝衛(wèi)星的一般位置。而“瓦力”和“愛娃”則寄居在了半人馬座上面級(jí)尾部的一個(gè)隔艙中。當(dāng)半人馬座上面級(jí)飛行到合適位置后，會(huì)首先將“洞察號(hào)”釋放，再將尾部的“瓦力”和“愛娃”釋放。與火箭分離10分鐘后，“瓦力”和“愛娃”將會(huì)展開自己的太陽能帆板，開始為自身供電。在執(zhí)行通信中繼任務(wù)時(shí)，“瓦力”和“愛娃”需要調(diào)整自己的姿態(tài)，使X波段天線和UHF波段天線的朝向剛好合適。但在這種情況下，太陽能帆板將無法接收到充足的陽光。因此“瓦力”和“愛娃”還內(nèi)置了和手機(jī)使用的鋰離子電池原理基本相同的電池，用來在通信中繼過程中給衛(wèi)星供電。在飛往火星的過程中，“瓦力”和“愛娃”將驗(yàn)證微小的立方星能否借助性能有限的系統(tǒng)完成行星際飛行的控制、導(dǎo)航和通信工作，以及衛(wèi)星自身能否經(jīng)受住行星際飛行相對(duì)惡劣的空間環(huán)境的考驗(yàn)。

▲“瓦力”和“愛娃”為“洞察號(hào)”提供通信中繼的示意圖

▲瓦力和愛娃在距離地球約100萬公里的位置拍下的地球與月球的照片

為深空探測(cè)拓展視野

如果“瓦力”和“愛娃”能按照計(jì)劃成功執(zhí)行它們的任務(wù)，將會(huì)給立方星的應(yīng)用打開新的天地。例如，一些在行星上著陸的探測(cè)器可以攜帶立方星一起發(fā)射，由立方星為它提供通信中繼服務(wù)，從而使任務(wù)的執(zhí)行不再依賴其他已經(jīng)發(fā)射的航天器。

以往，在行星際空間或其他行星附近工作的科學(xué)探測(cè)器的研發(fā)周期一般很長，項(xiàng)目預(yù)算一般也比較高，從科學(xué)探測(cè)方案的提出到探測(cè)器發(fā)射升空、產(chǎn)生科學(xué)數(shù)據(jù)，需要等待較長的時(shí)間。而立方星研發(fā)周期短、預(yù)算成本低，可以快速地將科學(xué)家們的想法付諸實(shí)施。在行星際空間和其他行星附近，立方星可以對(duì)太陽風(fēng)、宇宙線的空間環(huán)境參數(shù)進(jìn)行就位探測(cè)，還可以進(jìn)行行星大氣掩星探測(cè)，利用無線電信號(hào)穿過行星大氣層時(shí)發(fā)生的變化推斷行星大氣層的一些特性。

據(jù)美國宇航局在發(fā)射后公布的消息，“瓦力”和“愛娃”在進(jìn)入軌道后的工作狀態(tài)不錯(cuò)。衛(wèi)星在發(fā)射一天后在太空中順利開機(jī)，與地面控制系統(tǒng)建立了穩(wěn)定的通信。5月9日，在距離地球約100萬公里的地方，“瓦力”上用來監(jiān)視衛(wèi)星狀態(tài)的魚眼廣角相機(jī)拍下了地球和月球在太空中的影像。上世紀(jì)70年代，當(dāng)旅行者號(hào)探測(cè)器踏上太陽系探測(cè)的旅程時(shí)，也曾在這個(gè)的距離上拍下過一張相似的圖片。希望“瓦力”和“愛娃”也能像她們的前輩“旅行者號(hào)”那樣，為人類太空探索開辟新的領(lǐng)域。