“瓦力”“愛娃”：火星附近第一對人造小不點

文/李會超

▲太空飛行效果圖

一個只有臺式電腦機箱一半大小的小家伙，從地球發射之后，可以像先前的那些大塊頭探測器一樣，在6個多月的時間內走過從地球到火星的漫漫長路，最終到達火星附近，是不是非常神奇？5月5日，被命名為”瓦力“(Wall-E)和“愛娃”(Eva)的兩顆立方體小衛星和洞察號火星探測器一起，由宇宙神5火箭發射升空，開始了她們的火星之旅。

名字的由來

喜歡皮克斯動畫電影的讀者一定不會對”瓦力“和“愛娃”的名字感到陌生。在電影《機器人總動員》中，機器人瓦力和愛娃的故事讓無數影迷為之動容。此次發射升空的這兩顆立方星，其正式名稱為MarCo-A和MarCo-B(MarCo是Mars Cube One的簡稱)。由于它們的推進器工作時會將一種冷的氣體噴出，和電影里“瓦力”和“愛娃”在太空中飛行時的動力來源相似，因此才獲得了這兩個可愛的昵稱。

她們的形狀

立方星是衛星家族中的小不點，其概念最早由美國加州理工大學和斯坦福大學提出。立方星由邊長為10厘米、質量一般在1千克左右的或更輕的立方體功能單元構成。單獨使用一個這樣的功能單元，就能設計制造一顆能在太空中工作的衛星。將2個、3個或6個這樣的功能單元拼裝在一起，可以構成功能更豐富的立方星。目前，已經有數百顆立方星被發射到了太空之中。這些立方星一般采用“搭車發射”的方式，即利用大型航天器發射時，火箭的富余運載能力發射。此次去往火星的“瓦力”和“愛娃”，都是6U立方星，即由6個立方體功能單元組成的衛星，長、寬、高分別為36.6厘米、24.3厘米和11.8厘米。立方星一般采用成熟的商業貨架產品作為配件，體積質量較小，研發、制造和發射成本都比較低，特別適合于新技術的驗證試驗和大學、科研機構在經費有限的情況下開展與空間有關的研究。在“瓦力”和“愛娃”之前，所有的立方星都工作在地球附近，而“瓦力”和“愛娃”是人類歷史上第一對脫離地球引力束縛、飛入行星際空間的立方星。

▲《機器人總動員》中的瓦力（左）和愛娃（右）

▲工程師在測試瓦力和愛娃（其中一顆）的功能。圖中與地面垂直的黃色平板即為X波段通信使用的高增益天線

個頭小作用大

“瓦力”和“愛娃”的功能和設計是一模一樣的。在本次任務中，她們互相作為彼此的備份，完成“洞察號”著陸火星時的通信中繼任務。如果沒有這兩個小家伙，“洞察號”也能借助目前正在環繞火星工作的火星勘測軌道飛行器進行與地球的通信中繼。然而，由于火星勘測軌道飛行器的軌道高度距離火星表面僅幾百公里，與地球間的通信鏈路可能會因火星的遮擋而中斷，地面控制人員也需要等待一個小時左右才能收到從火星傳來的信息。按照計劃，在“洞察號”著陸前的關鍵飛行過程中，“瓦力”和“愛娃”將以距離火星表面3500公里的距離飛掠火星。在此期間，“瓦力”和“愛娃”可以始終和地球保持聯系，地面控制人員只需等待幾分鐘，就可以獲取“洞察號”在著陸火星的關鍵飛行過程中的狀態。

為了完成通信中繼任務，“瓦力”和“愛娃”裝配了兩個頻段的通信設備。一組通信設備工作在特高頻（UHF）頻段，用于與“洞察號”通信。另一組通信設備工作在X頻段，用于和地球通信。和我們印象中常見的“大鍋”式天線不同的是，洞察號采用了一種平板式X波段通信天線，能夠以較小的體積實線較高的通信增益。

“瓦力”和“愛娃”雖然是兩個小不點，但它們去往火星的飛行卻是獨立完成的。在宇宙神5火箭發射“洞察號”的過程中，“洞察號”安裝在了半人馬座上面級的頂部，也就是安裝衛星的一般位置。而“瓦力”和“愛娃”則寄居在了半人馬座上面級尾部的一個隔艙中。當半人馬座上面級飛行到合適位置后，會首先將“洞察號”釋放，再將尾部的“瓦力”和“愛娃”釋放。與火箭分離10分鐘后，“瓦力”和“愛娃”將會展開自己的太陽能帆板，開始為自身供電。在執行通信中繼任務時，“瓦力”和“愛娃”需要調整自己的姿態，使X波段天線和UHF波段天線的朝向剛好合適。但在這種情況下，太陽能帆板將無法接收到充足的陽光。因此“瓦力”和“愛娃”還內置了和手機使用的鋰離子電池原理基本相同的電池，用來在通信中繼過程中給衛星供電。在飛往火星的過程中，“瓦力”和“愛娃”將驗證微小的立方星能否借助性能有限的系統完成行星際飛行的控制、導航和通信工作，以及衛星自身能否經受住行星際飛行相對惡劣的空間環境的考驗。

▲“瓦力”和“愛娃”為“洞察號”提供通信中繼的示意圖

▲瓦力和愛娃在距離地球約100萬公里的位置拍下的地球與月球的照片

為深空探測拓展視野

如果“瓦力”和“愛娃”能按照計劃成功執行它們的任務，將會給立方星的應用打開新的天地。例如，一些在行星上著陸的探測器可以攜帶立方星一起發射，由立方星為它提供通信中繼服務，從而使任務的執行不再依賴其他已經發射的航天器。

以往，在行星際空間或其他行星附近工作的科學探測器的研發周期一般很長，項目預算一般也比較高，從科學探測方案的提出到探測器發射升空、產生科學數據，需要等待較長的時間。而立方星研發周期短、預算成本低，可以快速地將科學家們的想法付諸實施。在行星際空間和其他行星附近，立方星可以對太陽風、宇宙線的空間環境參數進行就位探測，還可以進行行星大氣掩星探測，利用無線電信號穿過行星大氣層時發生的變化推斷行星大氣層的一些特性。

據美國宇航局在發射后公布的消息，“瓦力”和“愛娃”在進入軌道后的工作狀態不錯。衛星在發射一天后在太空中順利開機，與地面控制系統建立了穩定的通信。5月9日，在距離地球約100萬公里的地方，“瓦力”上用來監視衛星狀態的魚眼廣角相機拍下了地球和月球在太空中的影像。上世紀70年代，當旅行者號探測器踏上太陽系探測的旅程時，也曾在這個的距離上拍下過一張相似的圖片。希望“瓦力”和“愛娃”也能像她們的前輩“旅行者號”那樣，為人類太空探索開辟新的領域。