立方體衛星：——異軍突起的“輕騎兵”

張唯誠

雖然它們是航天器的新成員，但看上去只是一個金屬盒子，大小相當于一條普通的面包或者一只裝鞋的盒子，一端有一個相機鏡頭。它們可以單獨遨游在太空，也可以和其他“模塊”組合升級，或者為完成更大的太空任務而形成一個“編隊”。也許人們會把它們派到火星上，或許會穿越壯觀的土星環，只不過操控它們的主人不一定是美國航空航天局這種聲名顯赫的“航天巨頭”，而可能是非常普通的團體，例如一個大學的研究機構，甚至是酷愛航天的個人。沒有人知道它們的登場會給未來航天業帶來什么，但人們都能感到它們難以抵御的無窮魅力。它們就是方興未艾的航天新秀，航天業異軍突起的“輕騎兵”——“立方體衛星”。

看上去，立方體衛星似乎把航天業帶回了過去，因為最初的航天器就是很小的。人類的第一個人造地球衛星只有沙灘排球那么大，但后來。它們就越做越大了，現在正在火星執行任務的“好奇”號大得像一輛吉普，而2004年抵達土星的“卡西尼”號則更大，假若它是一個容器，你甚至可以將一輛小汽車放進它的肚子里。

但到了20世紀90年代，有人另辟蹊徑了。科學家意識到，現代微電子學的發展使他們有能力研制一種迷你型的衛星，它們個頭雖小，但用途卻沒有改變，這就是立方體衛星。科學家研制出一種標準化的模式，使每個部件都能方便組裝，造價便宜且靈活性高。美國加利福尼亞州立大學的喬迪普格·蘇安里說：“我們在尋找一種方式來簡化衛星的系統，這樣，學生們只要用上一兩年時間就能制造一架航天器了。”

2000年，科學家公布了一種立方體衛星的說明書。這種衛星的寬度只有10厘米，重量為1330克。假若在某個特別的航天任務中，某些儀器無法搭載在一個立方體衛星上，人們便使用兩個或更多的立方體衛星，把它們組裝成一個更大的立方體衛星。自2003年第一顆立方體衛星升空以來，現在已有大約100顆立方體衛星在太空運行，有些測試某種部件在太空環境下如何工作，有些測試微生物在太空中如何存活，有些則負責探測地球的上層大氣環境。科學家希望這種衛星在未來的太空任務中有自己獨特的位置，能成為更便宜、更有效的數據采集系統，但并不認為立方體衛星將取代主流的“大衛星”。

“搭便車”飛往火星

迄今為止，立方體衛星還只是運行在環地球的軌道上，它們常被放在一個名為“P莢子”（P-POD）的由彈簧承載的三節式裝置里，然后在某次太空任務中隨同較大的航天器一同升空，這種方式被形象地稱為“搭便車”。一般情況下，它們都沒有攜帶變軌所需的推進系統，因為這種系統必須裝載燃料、有毒氣體和液體，并把它們放置在高壓的環境中，所以大多數立方體衛星并不配備推進器。但在行星際旅行的太空任務中，這種狀態就必須改變，在那種時候，立方體衛星必須自由地在太空馳騁，它們要離開地球軌道朝更遠的行星飛行，它們甚至需要組成一個飛行編隊。在這種情況下，推進系統便是非要不可的了。

2012年，美國航空航天局設置了一項300萬美元的獎金以鼓勵研究一種能使小衛星擺脫地球引力的萬全之策，與此同時。美國聯合發射同盟也宣布，他們正在研究一種發射立方體衛星的新概念。從本質上說，這種新概念仍然是“搭便車”，但對立方體衛星來說，它們能得到更多的力量以進入太空。科學家設想，首先讓一枚宇宙神火箭在地球軌道上釋放它的主要載荷，然后進入更高的軌道并將一個名為MULE的環狀結構分離出去。MULE可搭載兩打甚至更多的立方體衛星，它同時也擁有自己的推進器，這樣，它就能抵達火星，然后釋放攜帶的立方體衛星，而自己則可以在環火星軌道上充當中繼平臺以執行與地球的通信任務。

立方體衛星能做很多事情，它們能去的地方也幾乎和普通航天器沒有分別，而火星則很可能是它們未來旅行的首選目標。就在不久前，人們在這顆紅色星球的大氣中偵測到了甲烷，這種物質被認為是可能存在生命的一種標記。然而一般的航天器很難在短時間里接近它們，但使用一組便宜的立方體衛星就不同了，它們可以被派往火星上不同的地方，每個立方體衛星可配備一臺儀器以探測氨基酸的“手性”，因為在地球上，氨基酸的“手性”是與生命緊密相連的。盡管“手性”也不是存在生命的鐵證。但它是一個非常迷人的跡象，啟發科學家產生更好的想法，設計更合理的太空任務，最終破解火星生命之謎。

穿梭于太陽系

除火星外，另一類立方體衛星的潛在目標是小行星。科學家設想將一組裝有地震檢波器的立方體衛星投放到小行星上，這樣，這些立方體衛星就能監測到小行星上的地震波，那些地震波有可能來自人類的撞擊器對小行星的撞擊，也可能來自引力導致的小行星變形。當一個天體，例如地球，從這個小行星旁邊經過時，天體的引力會使小行星產生一種難以察覺的變形。在這種時候，小行星上由立方體衛星組成的地震波監測網就能監測出某種形式的地震波，這樣的地震波能給科學家提供依據，來判斷那顆小行星是否結實，抑或只是一些早期太陽系遺留下來的成團的石塊。這樣的信息也能顯示某些線索，供科學家研究太陽系中的大型天體是怎樣由小天體一點點組合而成的，還能告訴人們如何用最好的方法探測和摧毀離我們太近的危險小行星。

在太陽系里，木衛二也是一顆被認為有可能存在生命的神秘星球。此前的探測顯示，它表層的冰下有可能存在液態水或其他松軟物質。盡管美國航空航天局和歐洲空間局計劃2020年派一組探測器前往木衛二，但使用裝有地震檢波器的立方體衛星依然非常必要。當這種衛星來到木衛二后，它們可以探測木衛二的變形。這種變形是由木星和木星系統中的其他大衛星導致的，那些巨大天體產生的引力時刻拉扯著木衛二，這樣一來，木衛二的內部就會很熱，從而釋放熱量使海水保持液態。立方體衛星對地震波的監測能讓科學家知道，在木衛二的冰下，最有可能存在生命的地方究竟在何處。

離開木衛二，再讓我們去土星環看看吧，那里離我們更為遙遠，但立方體衛星依然能夠大顯身手。土星環是天文學家研究行星環的完美標本，也是我們認識太陽系的重要依據。但土星環存在著很多未解之謎，例如環內物質如何使土星環保持明亮和光潔，它們如何運動、碰撞和組合，這些都十分需要得到答案。在這個方面，立方體衛星也能發揮重要作用。美國康奈爾大學的馬特·赫德曼認為，科學家可以派立方體衛星進入土星環，用射電波探測環內物質的分布和運動，了解環內冰粒如何相互作用。他認為，這樣的研究對認識太陽系早期行星如何形成具有重大意義。

對于立方體衛星的用途，科學家自然不會忘了用它去尋找系外行星，他們已經研制出了一款名為Exo Planet Sat的立方體衛星，將于2014年進入環地球軌道以尋找系外行星。科學家選定的第一個目標是41光年之外的巨蟹座55e，它是一顆超密集行星，繞它的“太陽”運行一周的時間是18小時。Exo Planet Sat可通過觀測行星途經恒星前方時恒星出現的亮度變化以收集足夠的數據。下一步科學家打算發射一系列類似或更大的立方體衛星去做這種工作，每顆立方體衛星的造價大約為75萬美元，這樣，人們就可望依靠這種衛星去尋找更多類似地球的系外行星了。

形形色色的推進方式

然而，要完成上述各項工作，立方體衛星便必須有在太陽系中自主飛行的能力，因此獨立的推進系統還是不能少。有一種推進器叫脈沖離子漿推進器，原是在大航天器上使用的，它依靠固體推進劑，例如特氟龍產生推力。這種推進器在技術上比較成熟，但體積過大，用在立方體衛星上還有待改進。另有一種推進器體積極小，它是美國麻省理工學院最新研制的，上面有500個極小的噴射尖端。當電壓激活了這種推進器時，它便噴射出小型離子噴流。盡管在地球上這樣的噴流幾乎產生不了什么推力，但在太空中它卻可以推動一個鞋盒大小的衛星前進。由于這種新型推進器尺寸極小，因而非常適用于立方體衛星。有了這種推進器，立方體衛星就既能靈活變軌，又能節省出空間容納更多的載荷了。

除了使用傳統的推進器外，人們還想出了很多新奇的點子，例如扔“擲錘”的方法。他們設想，當立方體衛星通過“搭便車”進入一定的軌道后，人們可以用一根旋轉的繩索將立方體衛星扔到太空中去。

與此相較，下面這個被稱為“電動太陽風帆”的概念就讓人放心了許多。這個概念將于2013年由兩支分別來自芬蘭和愛沙尼亞的研究團隊進行測試。按照這種方法，人們將在立方體衛星上安裝一些細長的金屬系繩，這些系繩會形成一個巨大的圓形陣列，很像一張帶正電荷的蜘蛛網。由于同性相斥，這張網會排斥來自太陽風的正離子，這樣它就可以從太陽風那里獲得一種推力，從而像帆一樣推動立方體衛星遠離太陽。這個辦法實在是太妙了，它把飛船變成了一個類似車輪輻條的東西，又像一顆被風吹起的蒲公英種子。這樣，飛船便一邊做離心式旋轉，一邊搭乘著太陽風飄向遠方，而連續的推力又會使它越飛越快，甚至以每秒50千米的速度巡航太陽系。

與電動太陽帆相似的另一種推進方式是太陽光帆，它借助太陽光產生的光壓獲取推力。太陽光帆也擅長距離遙遠的太空旅行，所以科學家認為，在未來的星際旅行中，太陽光帆很有可能成為前往其他星球的最合理的航天器。美國行星學會一直致力于這種航天器的研究和實驗，他們將于近期實施一項有關立方體衛星的實驗項目，其目的是發射一艘名為“光帆1”號的實驗型太空船。科學家希望太陽光能為立方體衛星提供持久的動力，從而讓它們揚帆遠航，飛向更遙遠的太空。