微型衛(wèi)星：可互動的太空機器人

文·圖/李偉

被動式微型衛(wèi)星

日本名古屋大學新近開發(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鏡等設備，同時無需擔心燃料耗盡。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推進器，是理想的推進系統(tǒng)。

新加坡南洋理工大學、新加坡國立大學淡馬錫實驗室聯(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。這顆體積相當于小型冰箱、重100千克的衛(wèi)星，預計將于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)出一款空氣動力學模型，它能優(yōu)化微型衛(wèi)星的設計，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。

負責領(lǐng)導這個項目的新加坡南洋理工大學衛(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”——當它完成任務后，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，搭載該大學自主設計制造的芯片。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。

該項目負責人保羅·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、技術(shù)、工程和數(shù)學領(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。

需要標準化設計方案

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。

科學界需要標準化的微型衛(wèi)星設計方案，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)絡系統(tǒng)來運行。不同于利用一顆衛(wèi)星來執(zhí)行一項任務，衛(wèi)星星座由成千上萬顆衛(wèi)星組成，具有更廣闊的應用前景。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)絡可以連接在一起，以增強它們的功能、適應性和反應能力。一些微型衛(wèi)星配備特殊的設備后，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、自主學習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。