納型衛(wèi)星揚“帆”起航

路易斯·弗萊德曼

譯/ 康寧

“宇宙1”號太陽帆飛船發(fā)射失敗后，行星協會理事會的成員，尤其是安·德魯伊恩，仍然對太陽帆項目給予了堅定的支持。她鼓勵我不要放棄，盡快從挫折中恢復自信。安是一位企業(yè)家，對“宇宙工作室”充滿了濃厚的興趣，和我一起努力尋找新的贊助商和捐助人。媒體公司似乎是一個很自然的選擇，她成功地從美國探索頻道獲得了種子基金，這筆資金使我們能夠對“宇宙1”號的失敗進行調查，并重新設計成本少、風險低的新型微型航天器。

NASA的“納米帆—D”納型衛(wèi)星太陽帆飛船

但美國探索頻道的資助只是基本資金，我們并沒有爭取到其他媒體公司的支持。終于，4年之后，一個偶然的機遇出現了，我們既獲得了資金支持，又得到了技術支持，新的太陽帆項目開始了。技術方面的機遇來自NASA 的“納米帆-D”航天器項目，該項目成本低，富有創(chuàng)意，是ASA 下屬的兩家研究中心——艾姆斯研究中心和馬歇爾航天飛行中心——開展的。“納米帆-D”航天器也曾遭遇過與“宇宙1”號太陽帆飛船相同的命運：2008年8月，在新型商業(yè)化火箭——“獵鷹”號——的首航中，該航天器發(fā)射失敗，消失在茫茫太空中。“納米帆-D”航天器的飛行計劃就此終結，但NASA有一艘閑置的飛船，如果我們能確保其發(fā)射，NASA將把這艘飛船送給行星協會。

我們當然同意。但經過6個月的談判，NASA卻改口了。他們找到了另一家合作伙伴——美國國防部，共同建造FASTSAT衛(wèi)星。而那時，我和吉姆·坎特雷爾（行星協會太陽帆研究團隊負責人、系統(tǒng)設計師）正著迷于納米帆的超輕量設計。我們與托馬斯· 斯維特克合作，他經營著一家著名的私人航天技術研發(fā)公司——星際探索公司，同時也是納米航天器設計方面的專家。經過

考慮，我們認為我們實際上并不需要那艘閑置的納米帆航天器，而是需要把自己設計的航天器重新改進。

與“納米帆-D”飛船設計不同，我們的航天器擁有一套控制系統(tǒng)、雙向無線電通信以及車載成像攝像機，并且可以發(fā)射到足夠高的軌道，而不必考慮太陽帆在飛行時遇到的阻力。所有這些都是“納米帆-D”飛船所不具備的。與第一艘利用私人資金建造的太陽帆飛船“宇宙1”號相比，我們率先采用了輕量小巧的設計，使成本更低，也更實用。這是一個極具創(chuàng)新的想法，將會產生新一代低成本、用于特殊任務的航天器。我們可以搭上新興的立方體衛(wèi)星行業(yè)的便車，在世界

各地不同類型的火箭上進行第二次發(fā)射。吉姆·坎特雷爾、托馬斯·斯維特克和我共同組建了一個新的太陽帆團隊，來努力完成這一使命，即“光帆”飛船。

吉姆·坎特雷爾最初來到行星協會工作是在20世紀80年代末，當時他還是一名猶他州立大學的學生，參與了我們的火星氣球和火星探測器項目。猶他州有一個出色的航空航天工程部門，是在弗蘭克·雷德教授和吉爾伯特·摩爾博士的召集下成立的。弗蘭克·雷德教授是微型航天器開發(fā)的先行者，而吉爾伯特·摩爾博士極具創(chuàng)新思想，為年輕人創(chuàng)造了意義非凡而又令人興奮的教學項目。吉姆和另一名學生喬治·鮑威爾幫助行星協會創(chuàng)立了第一批私人資助的行星探索項目，

之后二人繼續(xù)開始他們的工程和商業(yè)生涯。吉姆成為火星氣球領域的專家，20世紀90年代，行星協會將他“租借”給法國太空局，以幫助他們研發(fā)一項俄羅斯航天飛行的項目。在此之后，吉姆參與了大量國防和民用太空計劃，其中包括國防項目中的國際合作計劃。他也是猶他州立大學培養(yǎng)出來的微型飛船革命的開拓者之一。如今，他一心撲在航空航天工程（擁有自己的公司）和泛美跑車賽上了。在整個航空航天領域，他擁有廣泛的人脈，從商業(yè)化、學術型的小衛(wèi)星開發(fā)商到大型國防項目的承包商，他都保持著聯系。

航空航天業(yè)的很多人（特別是年輕人）都參與了新型立方體衛(wèi)星和納米衛(wèi)星的研發(fā)。許多業(yè)界資深人士將這類衛(wèi)星視為“玩具”，認為它只對教學有用，而解決不了任何實際問題。不可否認，納米衛(wèi)星航天器的開發(fā)還處于起步階段，但技術會越來越好，應用也會越來越實際。

托馬斯·斯維特克是我的同事，也是我的朋友。他在立方體衛(wèi)星和微型航天器領域知識淵博。托馬斯是加州理工學院杰出的博士，我認識他時，他還在他的老家捷克斯洛伐克讀書。那時他就對太陽帆產生了濃厚的興趣，并寫信給我（當時我是噴氣推進實驗室太陽帆研發(fā)項目的主持人），信中附有他撰寫的關于太陽帆的論文。之后，我們進行過多次通信交流，終于我們在1982年的巴黎國際宇航大會上見面了。幾年后，我在布拉格參加“國際哈雷觀測”大會時，再次見到了

他。在一家小酒館，我們品味著上好的捷克啤酒，托馬斯告訴我，他和家人正計劃前往美國。我把他的大學成績單交給加州理工學院，這樣他被錄取為博士生，師從布魯斯·默里教授。

托馬斯非常專注于建造各種用于太空飛行的裝置，包括各種儀器、子系統(tǒng)，甚至一艘完整的航天器（即我們設計的“光帆”）。他在加利福尼亞州圣路易斯奧比斯波市創(chuàng)辦了自己的公司——星際探索公司（之所以選擇該市，是因為這里是居家生活的理想之地，同時加州州立理工大學航空航天工程部也坐落于此）。加州州立理工大學在立方體衛(wèi)星研發(fā)與飛行體驗領域處于領先水平。

? ? “光帆”的四個雙面太陽能電池板合在一起，航行開始前可以彈開。兩張電池板上安裝了攝像機。

托馬斯、吉姆和我粗略地估計，建造和發(fā)射宇宙飛船需要大約180萬美元。這筆錢超出了行星協會從普通會員捐款中可以籌集到的數額。與“宇宙1”號一樣，我們需要一個大贊助商或捐助人來承擔大部分資金，然后才能依靠協會會員的支持。2009年年中，偶然的融資機會到來了，我們的研發(fā)總監(jiān)安德莉亞·卡羅爾告訴我們，一名來自得克薩斯州的行星協會會員在我們的公共郵箱留言說，他對我們的太陽帆項目非常感興趣，并且有提供大筆資金的渠道。安德莉亞和那位會員見面交談后，確信他是誠心誠意的。我們邀請他在帕薩迪納見面。早餐時他問我：“如果我給你100萬美元，能夠嗎？”我脫口而出：“夠！”我想安德莉亞肯定對我如此之快的答復感到吃驚，但是我心里有數，有了這筆資金，剩下的錢就好籌集了。最終，我們握手成交。我得到行星協會理事會的許可，于2009年9月與吉姆、托馬斯一起正式開始“光帆”項目的開發(fā)。

“納米帆-D”航天器是一個三單元立方體衛(wèi)星，兩個單元用于航行儲備，一個單元用于電子運算。觀看動畫演示時，你會感覺一艘很小的飛船卻配了一個巨大的帆。

立方體衛(wèi)星上的單元每邊長大約10厘米，整個飛船可被裝進一件登機攜帶的行李箱中。“光帆”的設計是第一款全功能立方體衛(wèi)星飛船，包括姿態(tài)控制、無線電、攝像機、太陽能和電池電源，以及用于命令、控制和數據處理的板載計算機。“光帆”飛船上帆的面積是“納米帆-D”飛船上帆的面積的2倍，帆可以塞進立方體衛(wèi)星中，這使我確信這種納型設計將引領星際飛行的未來。

2012年4月，我完成了航天器的開發(fā)。然而，盡管被NASA的納米衛(wèi)星教育發(fā)射計劃項目選中（通過與NASA艾姆斯研究中心的合作協議），但是一直沒有合適的機會將我們的航天器發(fā)射到足夠高的軌道。我們的航天器與其他基于立方體衛(wèi)星的航天器不同，因為我們需要發(fā)射到超過800千米以外的太空，高于地球的大氣層，以便航天器能夠在太陽輻射壓力下飛行，而不會受到大氣分子的阻力。2012年5月4日，經過一周全面的端到端系統(tǒng)測試、機電測試和通信系統(tǒng)測試后，我

們將航天器進行密封存儲，等待發(fā)射機會的到來。不過我們仍有一些工作要做，軟件還不夠完善，在最終發(fā)射之前需要更新，對于無線電裝置，我們也沒有完全的信心。由于資金周轉、航天器存儲以及發(fā)射日期未定等因素，行星協會理事會決定暫時把這個項目擱置到下一年。

彼時我開始擔任項目總監(jiān)一職。行星協會最終還是沒有得到NASA的高軌道發(fā)射機會，只在2015年獲得了一個低軌道發(fā)射機會，可以對我們的備用航天器進行部署測試。我們組建了一個新的團隊，完成了測試并準備發(fā)射。我們還與佐治亞理工大學簽署了合作協議，把他們的Prox-1航天器（“Prox”代表近距離）部署在我們的航天器旁。Prox-1是他們?yōu)槊绹哲婇_發(fā)的航天器。

屆時Prox-1將能夠用于觀測我們的“光帆”航天器，這簡直太棒了。遺憾的是，Prox-1的發(fā)射高度（“光帆”的高度同樣如此）將略低于所需的800千米高度，但是對太陽帆飛行而言也足夠高了。

行星協會在太陽帆方面付出的努力，首先推動了技術的發(fā)展，有朝一日這項技術將把人類帶往太空;其次，這是人類首次利用光的力量來推進航天器在太空飛行。完成了第一艘太陽帆飛船（“宇宙1”號）的建造時，我們認為成功就在眼前，但2005年發(fā)射失敗了。2009年我們啟動了設計“光帆”的新嘗試，但在我們建成之前，日本宇航探索局成功地發(fā)射了“伊卡洛斯” 號太陽帆飛船，“伊卡洛斯”號也因此被載入吉尼斯世界紀錄大全。我們感到風已經不再吹向我們這邊了，別人搶在了我們前頭。然而，積極的一面是，我們的設計引起了迅速發(fā)展的微型飛船界的關注，并為NASA的“新愛迪生”計劃和噴氣推進實驗室的星際立方體衛(wèi)星項目打下基礎。我們的研究正在傳承給我們的下一代。

目前，有幾個研究團隊正在建造太陽帆飛船，并計劃在未來幾年內飛行。英國薩里大學開發(fā)的太陽帆飛船與我們的“光帆”飛船非常相似。薩里大學的飛船基于立方體衛(wèi)星設計，名為“立方體帆”，體積比“光帆”還要小，其意圖不在于使用太陽帆飛行，而是作為大氣阻力制動器在低地球軌道上清除衛(wèi)星碎片。“納米帆-D”的用途也是如此。他們希望開展商業(yè)化開發(fā)，以幫助衛(wèi)星運營商解決日益受到關注的軌道衛(wèi)星碎片問題。

與伊利諾伊大學緊密合作的CU航空公司的項目也被稱為“立方體帆”，目的是在大氣層中飛行，開展測量工作。把這些利用帆在大氣層中飛行的航天器統(tǒng)稱為“太陽帆”，多少有點學究氣。

2009年，路易斯-弗萊德曼和比爾·奈依在檢查太陽帆。

更重要的是，NASA對太陽帆產生了濃厚的興趣。最近，NASA批準了兩項基于“光帆”設計的納型衛(wèi)星太陽帆任務，一項被稱為“月球閃光燈”（Lunar Flashlight），另一項被稱為“近地小行星偵察兵”（NEA Scout）。這兩項任務意義非凡，因為飛船將飛越低地球軌道完成科研目標。“納米帆-D”和“光帆”都是三單元立方體衛(wèi)星設計（三個立方體衛(wèi)星）， 而“月球閃光燈”和“近地小行星偵察兵”則是六單元，質量是“納米帆-D”和“光帆”的2倍，帆展面積是“納米帆-D”和“光帆”的3倍。但“月球閃光燈”和“近地小行星偵察兵”仍然屬于納型衛(wèi)星。由于大型太陽帆飛船項目被取消，現在看來，這兩艘飛船中的一個將成為NASA的第一艘太陽帆飛船。

在宇宙的海洋中自由航行的時間似乎終于到了。人類正在忙于制造第一艘真正的太陽帆飛船，技術的進步提高了深空航行所需的性能和設計能力。