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光帆宇宙飞船“纳米帆-D”

科幻 /  著作权归作者本人所有

伤我心太深  2017-6-14 22:05

  译/ 康宁

  “宇宙1”号太阳帆飞船发射失败后,行星协会理事会的成员,尤其是安·德鲁伊恩,仍然对太阳帆项目给予了坚定的支持。她鼓励我不要放弃,尽快从挫折中恢复自信。安是一位企业家,对“宇宙工作室”充满了浓厚的兴趣,和我一起努力寻找新的赞助商和捐助人。媒体公司似乎是一个很自然的选择,她成功地从美国探索频道获得了种子基金,这笔资金使我们能够对“宇宙1”号的失败进行调查,并重新设计成本少、风险低的新型微型航天器。

  

光帆宇宙飞船“纳米帆-D”58 / 作者: / 来源:


  NASA的“纳米帆—D”纳型卫星太阳帆飞船


  但美国探索频道的资助只是基本资金,我们并没有争取到其他媒体公司的支持。终于,4年之后,一个偶然的机遇出现了,我们既获得了资金支持,又得到了技术支持,新的太阳帆项目开始了。技术方面的机遇来自NASA 的“纳米帆-D”航天器项目,该项目成本低,富有创意,是ASA 下属的两家研究中心——艾姆斯研究中心和马歇尔航天飞行中心——开展的。“纳米帆-D”航天器也曾遭遇过与“宇宙1”号太阳帆飞船相同的命运:2008年8月,在新型商业化火箭——“猎鹰”号——的首航中,该航天器发射失败,消失在茫茫太空中。“纳米帆-D”航天器的飞行计划就此终结,但NASA有一艘闲置的飞船,如果我们能确保其发射,NASA将把这艘飞船送给行星协会。


  我们当然同意。但经过6个月的谈判,NASA却改口了。他们找到了另一家合作伙伴——美国国防部,共同建造FASTSAT卫星。而那时,我和吉姆·坎特雷尔(行星协会太阳帆研究团队负责人、系统设计师)正着迷于纳米帆的超轻量设计。我们与托马斯· 斯维特克合作,他经营着一家著名的私人航天技术研发公司——星际探索公司,同时也是纳米航天器设计方面的专家。经过


  考虑,我们认为我们实际上并不需要那艘闲置的纳米帆航天器,而是需要把自己设计的航天器重新改进。


  与“纳米帆-D”飞船设计不同,我们的航天器拥有一套控制系统、双向无线电通信以及车载成像摄像机,并且可以发射到足够高的轨道,而不必考虑太阳帆在飞行时遇到的阻力。所有这些都是“纳米帆-D”飞船所不具备的。与第一艘利用私人资金建造的太阳帆飞船“宇宙1”号相比,我们率先采用了轻量小巧的设计,使成本更低,也更实用。这是一个极具创新的想法,将会产生新一代低成本、用于特殊任务的航天器。我们可以搭上新兴的立方体卫星行业的便车,在世界


  各地不同类型的火箭上进行第二次发射。吉姆·坎特雷尔、托马斯·斯维特克和我共同组建了一个新的太阳帆团队,来努力完成这一使命,即“光帆”飞船。


  吉姆·坎特雷尔最初来到行星协会工作是在20世纪80年代末,当时他还是一名猶他州立大学的学生,参与了我们的火星气球和火星探测器项目。犹他州有一个出色的航空航天工程部门,是在弗兰克·雷德教授和吉尔伯特·摩尔博士的召集下成立的。弗兰克·雷德教授是微型航天器开发的先行者,而吉尔伯特·摩尔博士极具创新思想,为年轻人创造了意义非凡而又令人兴奋的教学项目。吉姆和另一名学生乔治·鲍威尔帮助行星协会创立了第一批私人资助的行星探索项目,


  之后二人继续开始他们的工程和商业生涯。吉姆成为火星气球领域的专家,20世纪90年代,行星协会将他“租借”给法国太空局,以帮助他们研发一项俄罗斯航天飞行的项目。在此之后,吉姆参与了大量国防和民用太空计划,其中包括国防项目中的国际合作计划。他也是犹他州立大学培养出来的微型飞船革命的开拓者之一。如今,他一心扑在航空航天工程(拥有自己的公司)和泛美跑车赛上了。在整个航空航天领域,他拥有广泛的人脉,从商业化、学术型的小卫星开发商到大型国防项目的承包商,他都保持着联系。


  航空航天业的很多人(特别是年轻人)都参与了新型立方体卫星和纳米卫星的研发。许多业界资深人士将这类卫星视为“玩具”,认为它只对教学有用,而解决不了任何实际问题。不可否认,纳米卫星航天器的开发还处于起步阶段,但技术会越来越好,应用也会越来越实际。


  托马斯·斯维特克是我的同事,也是我的朋友。他在立方体卫星和微型航天器领域知识渊博。托马斯是加州理工学院杰出的博士,我认识他时,他还在他的老家捷克斯洛伐克读书。那时他就对太阳帆产生了浓厚的兴趣,并写信给我(当时我是喷气推进实验室太阳帆研发项目的主持人),信中附有他撰写的关于太阳帆的论文。之后,我们进行过多次通信交流,终于我们在1982年的巴黎国际宇航大会上见面了。几年后,我在布拉格参加“国际哈雷观测”大会时,再次见到了


  他。在一家小酒馆,我们品味着上好的捷克啤酒,托马斯告诉我,他和家人正计划前往美国。我把他的大学成绩单交给加州理工学院,这样他被录取为博士生,师从布鲁斯·默里教授。


  托马斯非常专注于建造各种用于太空飞行的装置,包括各种仪器、子系统,甚至一艘完整的航天器(即我们设计的“光帆”)。他在加利福尼亚州圣路易斯奥比斯波市创办了自己的公司——星际探索公司(之所以选择该市,是因为这里是居家生活的理想之地,同时加州州立理工大学航空航天工程部也坐落于此)。加州州立理工大学在立方体卫星研发与飞行体验领域处于领先水平。

  

光帆宇宙飞船“纳米帆-D”463 / 作者: / 来源:


  “光帆”的四个双面太阳能电池板合在一起,航行开始前可以弹开。两张电池板上安装了摄像机。


  托马斯、吉姆和我粗略地估计,建造和发射宇宙飞船需要大约180万美元。这笔钱超出了行星协会从普通会员捐款中可以筹集到的数额。与“宇宙1”号一样,我们需要一个大赞助商或捐助人来承担大部分资金,然后才能依靠协会会员的支持。2009年年中,偶然的融资机会到来了,我们的研发总监安德莉亚·卡罗尔告诉我们,一名来自得克萨斯州的行星协会会员在我们的公共邮箱留言说,他对我们的太阳帆项目非常感兴趣,并且有提供大笔资金的渠道。安德莉亚和那位会员见面交谈后,确信他是诚心诚意的。我们邀请他在帕萨迪纳见面。早餐时他问我:“如果我给你100万美元,能够吗?”我脱口而出:“够!”我想安德莉亚肯定对我如此之快的答复感到吃惊,但是我心里有数,有了这笔资金,剩下的钱就好筹集了。最终,我们握手成交。我得到行星协会理事会的许可,于2009年9月与吉姆、托马斯一起正式开始“光帆”项目的开发。


  “纳米帆-D”航天器是一个三单元立方体卫星,两个单元用于航行储备,一个单元用于电子运算。观看动画演示时,你会感觉一艘很小的飞船却配了一个巨大的帆。


  立方体卫星上的单元每边长大约10厘米,整个飞船可被装进一件登机携带的行李箱中。“光帆”的设计是第一款全功能立方体卫星飞船,包括姿态控制、无线电、摄像机、太阳能和电池电源,以及用于命令、控制和数据处理的板载计算机。“光帆”飞船上帆的面积是“纳米帆-D”飞船上帆的面积的2倍,帆可以塞进立方体卫星中,这使我确信这种纳型设计将引领星际飞行的未来。



  2012年4月,我完成了航天器的开发。然而,尽管被NASA的纳米卫星教育发射计划项目选中(通过与NASA艾姆斯研究中心的合作协议),但是一直没有合适的机会将我们的航天器发射到足够高的轨道。我们的航天器与其他基于立方体卫星的航天器不同,因为我们需要发射到超过800千米以外的太空,高于地球的大气层,以便航天器能够在太阳辐射压力下飞行,而不会受到大气分子的阻力。2012年5月4日,经过一周全面的端到端系统测试、机电测试和通信系统测试后,我们将航天器进行密封存储,等待发射机会的到来。不过我们仍有一些工作要做,软件还不够完善,在最终发射之前需要更新,对于无线电装置,我们也没有完全的信心。由于资金周转、航天器存储以及发射日期未定等因素,行星协会理事会决定暂时把这个项目搁置到下一年。


  彼时我开始担任项目总监一职。行星协会最终还是没有得到NASA的高轨道发射机会,只在2015年获得了一个低轨道发射机会,可以对我们的备用航天器进行部署测试。我们组建了一个新的团队,完成了测试并准备发射。我们还与佐治亚理工大学签署了合作协议,把他们的Prox-1航天器(“Prox”代表近距离)部署在我们的航天器旁。Prox-1是他们为美国空军开发的航天器。


  届时Prox-1将能够用于观测我们的“光帆”航天器,这简直太棒了。遗憾的是,Prox-1的发射高度(“光帆”的高度同样如此)将略低于所需的800千米高度,但是对太阳帆飞行而言也足够高了。


  行星協会在太阳帆方面付出的努力,首先推动了技术的发展,有朝一日这项技术将把人类带往太空;其次,这是人类首次利用光的力量来推进航天器在太空飞行。完成了第一艘太阳帆飞船(“宇宙1”号)的建造时,我们认为成功就在眼前,但2005年发射失败了。2009年我们启动了设计“光帆”的新尝试,但在我们建成之前,日本宇航探索局成功地发射了“伊卡洛斯” 号太阳帆飞船,“伊卡洛斯”号也因此被载入吉尼斯世界纪录大全。我们感到风已经不再吹向我们这边了,别人抢在了我们前头。然而,积极的一面是,我们的设计引起了迅速发展的微型飞船界的关注,并为NASA的“新爱迪生”计划和喷气推进实验室的星际立方体卫星项目打下基础。我们的研究正在传承给我们的下一代。


  目前,有几个研究团队正在建造太阳帆飞船,并计划在未来几年内飞行。英国萨里大学开发的太阳帆飞船与我们的“光帆”飞船非常相似。萨里大学的飞船基于立方体卫星设计,名为“立方体帆”,体积比“光帆”还要小,其意图不在于使用太阳帆飞行,而是作为大气阻力制动器在低地球轨道上清除卫星碎片。“纳米帆-D”的用途也是如此。他们希望开展商业化开发,以帮助卫星运营商解决日益受到关注的轨道卫星碎片问题。

  与伊利诺伊大学紧密合作的CU航空公司的项目也被称为“立方体帆”,目的是在大气层中飞行,开展测量工作。把这些利用帆在大气层中飞行的航天器统称为“太阳帆”,多少有点学究气。

  

光帆宇宙飞船“纳米帆-D”194 / 作者: / 来源:


  2009年,路易斯-弗莱德曼和比尔·奈依在检查太阳帆。


  更重要的是,NASA对太阳帆产生了浓厚的兴趣。最近,NASA批准了两项基于“光帆”设计的纳型卫星太阳帆任务,一项被称为“月球闪光灯”(Lunar Flashlight),另一项被称为“近地小行星侦察兵”(NEA Scout)。这两项任务意义非凡,因为飞船将飞越低地球轨道完成科研目标。“纳米帆-D”和“光帆”都是三单元立方体卫星设计(三个立方体卫星), 而“月球闪光灯”和“近地小行星侦察兵”则是六单元,质量是“纳米帆-D”和“光帆”的2倍,帆展面积是“纳米帆-D”和“光帆”的3倍。但“月球闪光灯”和“近地小行星侦察兵”仍然属于纳型卫星。由于大型太阳帆飞船项目被取消,现在看来,这两艘飞船中的一个将成为NASA的第一艘太阳帆飞船。


  在宇宙的海洋中自由航行的时间似乎终于到了。人类正在忙于制造第一艘真正的太阳帆飞船,技术的进步提高了深空航行所需的性能和设计能力。


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