「鞋盒」飛舞深空 立方體衛星有望開創空間探測新時代

美國宇航局近地小行星探測器圖片來源：NASA

鞋盒大小的立方體衛星目前已經遍布在近地軌道上，用於從地球觀測到研究太空中的細菌蛋白等一系列領域。這種航天器由邊長10厘米的立方體建造而成，通常配備成品零部件。其實，這種相對不太貴的小尺寸衛星的發展有點晚，而且大多在近地軌道上「玩玩」。但現在，科學家希望將它們送到更遠的深空，十多個外太空立方體衛星已整裝待發。

而低廉的成本意味著這種迷你航天器能夠去冒險。（立方體衛星執行太陽系內任務的花費不超過1000萬美元。）成群的立方體衛星可以協同工作，從而能完成新型實驗。它們通常搭乘其他發射任務的順風車，在近地軌道旅行，例如，其身影常出現在往返於國際空間站的太空運輸船上，但到太陽系其他地方則少之又少。

實際上，將第一個進入太陽系的立方體衛星——美國宇航局（NASA）的INSPRIRE迷你航天器已經等待了近兩年。INSPRIRE迷你航天器計劃為未來空間任務測試關鍵技術。「我們仍需要尋找合適的路線。」加利福尼亞州帕薩迪納市NASA噴氣推進實驗室創新鑄造廠負責人Anthony Freeman說道。

立方體衛星誕生於1999年，最初僅被作為教學工具。工程學教授卡爾·波利是CubeSat立方體衛星概念的提出者之一，他認為自己也沒有想到該衛星技術會走得這麼遠，「我們的初衷只是想開發出可以用於教育的系統，沒想到開啟了一個全新的空間時代」。

今天，立方體衛星已經能執行商業任務和近太空科學研究。例如，美國地球實驗室公司的「鴿子」衛星已經在繞地球飛行，成像率好到足以看清樹梢、道路和建築物。數十年來，工程師一直在努力建造衛星且不惜費用，並花費數年時間進行完善。來自17個國家的1000多人已經參與建造了耗資80億美元的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡。而 「鴿子」一直在大規模生產，每架「鴿子」的建造和發射成本低於100萬美元。

但因尺寸小，立方體衛星不能容納標準推進和遠程通訊設備，更不必說複雜的科學儀器，所以探索外太空還是一個更大挑戰。

「工程師正開始著手克服這些困難。」歐洲空間局（ESA）立方體衛星開發項目總監Roger Walker說。為了解決通訊問題，ESA的首個星際立方體衛星將通過母船與地球對話。該衛星將參與ESA和NASA聯合主導的小行星碰撞和偏差評估（AIDA）項目。該項目計劃2020年實施，立方體衛星將承擔高風險工作，比如到小行星附近，近距離收集數據。

NASA目前正在策劃的歐羅巴任務，將同樣使用這種母子模式，部署一隊的立方體衛星貼近木衛二，進行近距離探測。科學家認為木衛二冰冷的外表下可能存在生命。

獨立的外太空立方體衛星任務也即將展開。NASA開發研製了一款具備能夠從火星甚至更遠的星空直接與地球對話的微型無線電通訊系統。該機構將在INSPIRE和InSight火星探測器伴侶小衛星（MarCO）上測試這個系統。另外，NASA還研製了微型的低溫氣體燃燒推進器和防輻射電子元件。

同時，歐洲的公司正在開發高效離子發動機。義大利羅馬的IMT公司正在研究能源運作方式，例如可以一直面向太陽的摺疊太陽能電池板發動機。Walker表示，所有這些技術都能使獨立立方體衛星任務成為現實。

Freeman預測，在下個十年結束時，將有超過100個立方體衛星被分派到整個太陽系，但前提是它們可以進入到太空中。他希望各國空間機構同意至少在每項主要行星任務中搭載至少一個立方體衛星，從而幫助它們進入太空。Walker 對此表示贊同，「這將真正刺激這個領域。最終，這是星際立方體衛星需要克服的最主要問題，僅次於通訊問題。」這意味著在項目早期就必須加入立方體衛星計劃。

據悉，2018年，NASA的空間發射系統——能將人送出地球軌道的重型運載火箭，將能攜帶13個立方體衛星和一個獵戶座太空艙。運載的貨物將包括月球閃光燈和近地小行星探測器（NEA）。前者用於反射光線尋找隱藏在月球黑暗火山口內的冰，NEA則主要用於探索附近的小行星。

另一方面，ESA正在開發新月球探測技術。它與英國薩里衛星技術有限公司（SSTL）和貢希利地球站等機構合作，開發出一套新系統：為幾十個立方體衛星提供數據中繼服務，每個太空器的費用約500萬英鎊。SSTL的Christopher Saunders表示，這樣一個模式將會擴大，「我們希望建造一個太陽系網路」。

Freeman表示，立方體衛星很快將能攜帶高解析度相機和雷達高度計等設備，這在數年前被認為是不可能的。密歇根大學空間科學家Thomas Zurbuchen表示，近日，美國國家科學院調查了立方體衛星的工程和醫學潛力，稱它能進行「了不起的研究，一些甚至超出想像」。（張章）

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