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潮科技立方星——深空探测的新利器
更新时间:2019-07-07

  北京时间11月27日凌晨,美国“洞察”号火星探测器成功着陆火星赤道以北的埃利西昂平原。“火星立方体一号”(MarCO,由MarCO-A和MarCO-B组成)立方星,作为二级载荷与“洞察”号火星探测器一同发射,成功为着陆器“进入、下降与着陆”提供实时通信中继,验证了立方星在深空探测任务中的可行性。除此之外,MarCO-A在飞越火星的过程中还间接进行了科学探测,测量火星大气的情况;MarCO-B在“洞察”号着陆后不久传回了拍摄的火星图像。MarCO立方星的主任务将再持续大约两周,两颗立方星将返回飞行过程中收集到的其他数据,包括关于立方星自身健康状况的遥测数据和在近距离接近过程中可能拍摄到的其他火星图像。MarCO立方星任务的成功表明,立方星能够为大型深空探测任务提供支持,这为立方星的应用开辟了新机遇。

  1995年,斯坦福大学航天系统研究实验室(SSDL)提出立方星雏形构想。1999年,斯坦福大学与加州理工大学联合提出“立方星设计标准规范”(CDS),正式明确了立方星的定义和标准:立方星是采用边长为10厘米的立方体构型(1个单元,即1U),质量不超过1.33千克的纳卫星;立方星结构可按任务需求沿横纵轴扩展单元数目,形成结构和功能更复杂的2U、3U、6U,甚至12U及以上。这类小尺寸的卫星具有门槛低、成本低、制造与发射周期短等特点,特别适合作为大学和科研机构的教育培训与科研工具。

  在深空探测领域,立方星逐渐呈现出从对地观测向深空探测领域拓展的趋势。日本宇宙开发机构(JAXA)2003年发射“隼鸟”小行星采样返回探测器,曾携带一颗1U尺寸的Minerva立方星,对近地小行星进行成像观测。探测器虽释放失败,但成功验证了深空立方星与母星之间的图像传输能力,标志着立方星开始应用于深空探测活动。2014年,JAXA发射“隼鸟”-2号小行星采样返回探测器,除Minerva外,还携带一个6U构型“移动小行星表面勘察着陆器”(MASCOT)。MASCOT携带4个有效载荷,能以跳跃方式在小行星表面移动,对小行星地貌、物质成分等进行为期15小时勘察。近年来,国外高度重视立方星在深空探测领域的应用潜力,据不完全统计,提出的创新性深空立方星方案数量已达到38项,探测目标覆盖多个天体,探测方式也呈多样化发展。已有多项型号任务列入发射计划,特别是2019年SLS首飞搭载的13颗深空立方星,将开展小行星多尺寸成像、月球水资源探测、深空辐射研究等任务。

  与执行综合性深空探测任务的大型航天器相比,深空立方星一方面具有体积小、质量轻的特点,能以多种方式发射,大幅提升任务实施灵活性,另一方面还具有百万至千万美元量级低研制成本的特点,远低于传统的深空探测器亿美元量级,便于在短期内批量生产,特别适合携带特定载荷执行简单、短周期、高风险的任务。一是以次级载荷的形式搭载其他任务发射,升空后立即与主探测器分离,自主飞至距地球较近的空间,作为低成本探测平台,在深空环境中开展技术验证,或者针对特定科学目标独立开展低成本实验研究或探测任务。二是作为主探测器的有效载荷一同发射并飞抵目标天体,胜任一次性探测任务或未知区域高风险探索任务,完成撞击效果观察、通信中继或空间气象测量等辅助或补充性质的工作,达到特定位置或多点探测效果,提升任务科学成果。三是将多颗深空立方星置于母星中,利用小型运载火箭发射,抵达目标天体后,多颗立方星一次性或分阶段从母星中释放出来,在母星提供中继服务的环境下,在感兴趣区域以一定距离间隔布散成网,发挥多点位探测优势,并降低单颗探测器失效对任务目标实现的影响,提高任务方案实施弹性;构建环绕目标天体的立方星星座,同步探测全球范围内不同区域电场或粒子,填补传统单颗探测器能力的不足。

  与此同时,深空立方星也因尺寸较小(通常为6U构型),内部空间有限,执行深空探测任务时面临许多特有的技术挑战。一是与传统地球轨道立方星相比,深空立方星只能携带少量的推进剂,通常在发射升空后需花费较长时间飞至目标天体,需具有高比冲、长寿命的推进系统;二是任务运行时距离地球较远,需具有低功耗、长寿命、远距离、高速率、高带宽的通信能力;三是脱离地球磁层保护,需具有可靠、轻质的辐射防护系统,发展抗辐射电子元器件;四是在光照强度较低的环境下运行,需携带先进的能源与能量存储系统;五是对载荷仪器尺寸和功耗存在限制,需探索新型传感器。

  当前,立方星呈蓬勃发展之势,美欧等机构正在考虑为立方星提供更多的搭载发射机会,积极探索立方星在深空探测领域的应用,为科学家提供低成本探测的便利条件,同时重点解答以下三个问题:一是深空立方星能承担哪类型科学探测任务?二是深空立方星还需要发展哪些关键技术?三是深空立方星的任务成本范围如何?

  “相关环境星际纳航天器探路者”(INSPIRE)由两颗完全相同的3U立方星组成,每颗携带一个磁强计和成像仪,计划在3个月的任务时间里,前往深空环境运行磁强计和相机等有效载荷,研究立方星是否具备最基础的生存、通信和导航能力,了解立方星能否在深空环境中执行探测任务,同时详细探测太阳风结构。目前,喷气推进实验室(JPL)已完成两颗立方星的研制工作,正等待以次载荷形式发射的机会,具体发射日期不详。INSPIRE任务的总成本约550万美元。

  推进技术也是立方星的关键挑战,立方星通常是以次载荷的形式搭乘其他大型航天器一同发射,考虑到发射安全和尺寸限制,只允许立方星携带少量推进剂。太阳帆技术可利用微小的光压驱动立方星飞行,是较为理想的安全推进手段。美国行星学会自主研制的“光帆”(LightSail)系列立方星,已于2015年验证太阳帆技术的可行性,计划2018年再发一颗开展更深入的研究。

  “月球极区氢测绘”(LunaH-Map)由亚利桑那州立大学(ASU)负责设计、研制和运行,质量约13.6千克,计划2019年搭乘SLS发射,经过1~2天的飞行后从火箭中弹出,2个月后逐渐进入月球轨道。任务运行周期预计2个月,环绕月球约140圈,主要任务是探测月球南极水冰并绘制水冰分布图,了解月球上水冰的起源和位置,为未来载人月球任务奠定基础。

  “近地小行星侦察兵”(NEAScout)将利用NASA马歇尔航天飞行中心研发的80平方米的太阳帆,计划2019搭乘SLS发射升空,对目标小行星开展一次慢速(低于10米/秒)且逼近(低于1千米)的飞越,验证新的太空目标天体勘测方法。当航天器距离小行星(100米直径)足够近时,将拍摄分辨率10厘米/像元的4色照片。任务运行周期约两年半,成本2000万美元。

  “月球冰立方星”(Lunar IceCube),采用创新型BIT-3射频离子推进系统,在高度100 千米的高倾斜绕月轨道上运行6个月,勘探月球上的固、液、气态水资源,研究水及其他挥发分随时间、高度、风化层年龄和物质成分的分布规律。

  NASA计划2022年实施名为“木卫二快帆”的大型旗舰级木卫二多次飞越探测任务,成本约20亿美元。为丰富“木卫二快帆”任务科学探测成果,JPL 2014年向各个大学征集辅助主航天器探测的立方星的提议,并从中遴选出10项给予深入研究资金支持。这些提议中有的携带磁强计或无线电科学仪器,通过多次飞越木卫二,研究其海洋深度及内部重力环境;有的在高辐射场外环绕木星飞行,从远处持续探测木卫二冰层下方海洋喷射的羽状水冰;还有一些运行在高度极低的环绕轨道上,对木卫二表面进行成像。

  美国西南研究所提出“木星磁层边界探测器”(JUMPER),将搭载在“木卫二快帆”上一同飞抵木星,协助主探测器开展探测任务,重点解答太阳风与木星磁场的相互耦合、对磁层动力学的影响,以及含能中性原子对木星磁层质量亏损的作用,丰富科学探测成果。

  火星探测任务全部依靠轨道器和地面巡视器,二者都存在一定的探测局限性,无法详细探测火星崎岖、多山区域环境,一定程度上影响火星着陆任务成功率及巡视器的行进路径规划。轨道器观测范围大,但测得数据的解析度低;巡视器能详细测量火星地表,但机动性与通过性差,活动区域小。亚利桑那大学提出了3U构型的“火星下降成像立方星”方案,可在降落伞减速阶段与进入器分离,随后执行2~3千米的探测任务,预先获得巡视器着陆区域的高分辨率图像。

  JPL研制的2颗立方星名为“火星立方星一号”(MarCO),尺寸为36.6厘米×9.5厘米×11.8厘米,于2018年随“洞察”号一同发射,在后者着陆时飞越火星并担任中继服务,现已成功验证立方星在探测器进入、下降与着陆阶段的通信中继技术。因独有双频段同时接收与发送能力,能立刻将“洞察”的着陆信息转发给地球,确保地面站第一时间获知着陆状态。

  NASA在“创新先进概念”项目中资助了“刺猬”机器人研究项目。“刺猬”是一个小型的立方结构探测器,可以从环绕目标天体飞行的“母星”上释放到目标天体表面,利用“母星”提供中继服务,在低重力天体表面开展翻转探测活动,对小天体的特定区域开展近距离观测、取样分析。

  木星的大气复杂,“伽利略”任务投放的大气探针只研究了一个区域,现已证实是非典型的。加拿大约克大学地球与空间科学研究中心(CRESS)团队提出由航天器携带的六个立方星大气探针概念。这些探针在进入阶段的峰值热过载将是传统大型探针的七分之一,可利用当前的进入技术进入木星大气并对多个区域进行研究。因每个探针太小,无法携带完整的仪器,研究团队将仪器功能分散到各个探针中。

  NASA 2014年提出“蒲公英着陆器”(Dandelander)任务概念,其外形像倒置的伞,可在一次任务中同时布散多颗,进行简单的分布式气候测量。下降期间,着陆器利用减速器减速,保证着陆器安全软着陆的速度。触地后,仪器将展开太阳能电池,地震仪和配有相机和气象仪器的桅杆,在一个火星年里持续地收集数据,利用轨道器将数据中继回地球。

  立方体卫星的主要特点是研制成本低,从概念研究到发射的周期较短(一般是两到三年),不仅吸引了国外航天机构的注意,也呈现出促使民间科学家、工程师甚至学生参与深空探测的新趋势。若立方星成功应用于深空探测任务,能够为新一代工程师和科学家提供新的低成本探测手段彩图库,即便失败,也使人们更加深刻地了解立方星的应用范围,促进基础技术提升。此外,还能吸引一批青少年亲身实践了立方星研制工作,增强深空探测领域的人才储备。

  立方星自提出以来,性能水平不断提升,已具备承担特定探测任务的能力。美国、欧洲、日本、加拿大等国家(地区)航天局,正在开展低成本、高科学成果的创新型深空立方星方案概念研究,同时注重加强关键技术攻关,极大推动了深空立方星的发展速度,有望成为深空探测领域的一大亮点。

  截止2016年底,仅有两次深空探测任务搭载了立方星载荷,而目前已有十余项得到资助的各类深空立方星任务列入发射计划,预计2020年前密集发射。

  深空立方星已成为一个新的航天公私合作热点。许多高等院校、非营利机构和企业已在先前的地球轨道立方星研究工作中积累了较丰富的经验,参与热情较高。目前,各国政府正广泛吸纳这些优势资源、优势力量,鼓励商业力量参与探测仪器和传感器创新研究工作,牵引和推动技术创新;与科学家联合探索创新任务方案设计,促进深空探测领域高速发展。

  工程师和科学家可凭借深空立方星,以较低成本实现简单的科学目标,促进空间科学快速发展;任务规划设计人员可在面临单个探测器不成功即失败的困境时,采用立方星提高任务方案弹性。例如,在地月空间开展低成本特定科学探测活动,立方星携带中子光谱仪、红外光谱仪等仪器,测绘月球、小行星等天体的水资源分布;携带生物样品开展深空环境微重力、辐射研究。在高危任务中开展投放探测活动,利用母星释放多颗立方星,对目标天体表面或大气的物理和化学特性开展原位探测研究,既提高探测范围和探测样品数量,又能避免因某个探测器失效而致使任务失败的风险,提高任务冗余度。在目标天体周围构建星座,开展高重访或多点同步观测活动,构建环绕目标天体的立方星星座,大尺度探测不同区域电场或粒子,如探测木卫二地下海洋磁场,探测火星全球气象变化等。

  (三)深空立方星研制成本低,但相关技术成熟度较低、研发成本高,运行成本也没有优势

  立方星的主要特点是制造成本低,从概念研究到发射的周期较短,但深空立方星作为新事物,仍需较高经费持续投入才能达到实际应用程度。其中,高带宽通信、精确姿态控制、先进推进和微小型化仪器等关键技术成熟度相对较低,仍需继续投资攻关;相应的运载火箭也尚未成熟,低成本搭乘大型运载火箭发射会限制轨道选择、发射窗口,而一些商业航天企业正在研制专门发射立方星等小型载荷的专用运载火箭,距离正式投入使用还存在一定差距。

  需要注意的是,无论电子器件小型化的速度有多快,立方星功能始终有限,难以满足大孔径、高功率仪器或高精度指向需求,不能简单将其视为低成本替代大型航天器的手段,只能作为一种补充不足、提升效果的创新手段,仍需大型探测器完成综合性探测任务。(中国航天系统科学与工程研究院 李金钊 李虹琳)

  标签:深空探测 探测器 航天器 着陆器 小行星 近地小行星 月球 天体 科学 火星