小科技,大影响

小科技,大影响

小型卫星如何带来太空革命

艾瑞卡·萨利文 (Erica Sullivan)/洛斯阿拉莫斯国家实验室

2017 年 2 月中旬,印度斯利哈里柯塔 (Sriharikota) 一个万里无云的早晨,一枚火箭带着 104 颗卫星(其中包括 101 颗立方体卫星 (CubeSat))发射升空,创下携带卫星数量最多的历史记录。

立方体卫星并不新鲜。这种微型卫星由长宽高分别为 10 厘米的部件构成,最初是加州州立理工大学和斯坦福大学在 1990 年代后期作为航空工程学院学生的培训工具而共同研发出来的。(根据定义,“小型卫星”的重量不得超过 500 公斤,所以所有的立方体卫星都是小型卫星,但并非所有的小型卫星都是立方体卫星。)不久后,各国政府就开始想方设法利用立方体卫星和其他小型卫星来强化国家安全。

各国对这些比迷你冰箱还小的微型卫星的兴趣日增之际,正值人们认识到现有卫星非常脆弱之时,这并非巧合。2007 年,中国用导弹摧毁了自己的一颗卫星,证明了卫星的脆弱性。接下来还有网络袭击威胁。2017 年 5 月,勒索软件病毒感染了全球数十万计算机系统,造成医院和火车站关闭,明白地提醒着人们黑客的威力。如果说勒索病毒网络袭击是对地球上计算机系统力量的严重削弱,那么经精心策划对太空资产发起的网络袭击则将带来灾难性后果。

基本上每个军事任务都会在某种程度上依赖卫星。通信卫星能为海陆空部队的作战指挥链提供准确、完整、及时的信息,从而实现联合部队的指挥与控制。气象卫星为每个兵种的野战部队提供最新天气信息。导航卫星为部队、飞机和船舰提供精确定位,误差只在几米之内。天基侦察系统在和平时期提供条约监督能力,在冲突期间则可用作重要预警系统。

对政府的民事部门而言,灾难应变计划、救灾响应、地图绘制、城市规划和交通监控等,都离不开卫星图像。卫星还有商业用途:卫星电话、互联网、电视、导航和商用跟踪、资源开发等,甚至还能为空中旅行和作物播种提供天气预测。

这些卫星中,哪怕只有一颗受到成功袭击,都可能给安全和经济带来影响深远的负面后果。

技术优势

如果不是由一颗巨大的卫星来提供至关重要的国家安全功能,而是用几百个小型卫星来取而代之呢?不仅目标变小,而且也更分散,从而大大加大网络犯罪分子的作案难度。

小型卫星优点多多。首先,造价低廉。普通大小的卫星制造和发射成本大概在 5 亿美元(约合人民币 31.5 亿元)到 10 亿美元(约合人民币 63 亿元)之间。这对任何预算来说都是非常沉重的负担。相比较而言,小型卫星则要便宜得多。

比如,洛斯阿拉莫斯国家实验室制造和发射的几颗立方体卫星,其每颗造价估计约为 15 万美元(约合人民币 94.5 万元)。此外,小卫星硬件相对便宜,意味着可以将更多资金用于技术采购,为观察和监测任务提供更大的地理覆盖范围,如地球/波浪运动观测、地震和火山活动监测、大气测量等。

洛斯阿拉莫斯国家实验室曾制造并将数颗立方体卫星送入近地轨道。 洛斯阿拉莫斯国家实验室

此外,通过立方体卫星和小型卫星等较便宜平台,太空科学家可以对先进概念进行测试,如空间中的可重构计算。过去,卫星一旦进入轨道,运营商就很难对其进行任何改动。该航天器的功能从一开始便已由程序设定,在整个生命周期中都无法更改。不过立方体卫星不一样,太空科学家可以对其进行重新编程来变更任务和提升性能。

同时,小型卫星让空间硬件的研发更为灵活。有限的任务需求让快速专用开发成为可能。大型卫星的设计和制造可能要花上十年时间,而太空科学家只需要一年甚至不到的时间就能设计并制造出一颗立方体卫星。借助立方体卫星,科学家可以更多地在运行环境而非地面模拟环境中进行测试,同时还能在尖端科技上市之初就加以运用。在将仪器和部件整合到较大平台完成最终任务前,也可以先借助立方体卫星在太空对其进行测试。这样的演示和验证任务能为任何型号卫星的仪器设计提供大量信息。

革命性工程设计

由于上述原因,小型卫星正在革新科学家对航天系统进行工程设计的方式。据专家估计,未来六年,将有 2400 颗小型卫星和立方体卫星发射升空,数量非常惊人。过去,在小型卫星使用方面,商界、政府和学术界三分天下,不过据估计,商业用途很快就会超过其他两种用途。事实上,预计在未来三年里,商用小型卫星将占到所发射小卫星总数的 70% 以上。

小型卫星并非完美无缺。大多数小型卫星,尤其是立方体卫星都是低轨 (LEO) 卫星,因为大气阻力,低轨卫星要比高轨卫星更快再次进入大气层,也就是说,使用寿命要短得多。不过,低轨发射成本和难度都较低,而且低轨卫星受到的辐射影响也较少,所以可以抵消寿命短这一缺陷。另外,低轨卫星更接近目标,所以能提高图像分辨率,实现低功耗通信,并减轻通信时延现象。

政府、工业界和学术界都在更为急迫地寻找将小型卫星用于近地轨道以外的其他轨道。例如,洛斯阿拉莫斯的科学家和工程师们就正在考虑如何使用小型卫星和立方体卫星进行深空和星际探索。对这些具有技术挑战性的任务而言,成本相对较低的小型卫星可借助冗余系统分散技术风险,同时还可在更多地点收集数据。

发射挑战

小型卫星面临可用发射火箭有限的问题。小型卫星的发射往往受限于类似于“优步”的火箭运营模式:小型卫星必须和更大载荷一起“拼车”。这样一来,小型卫星的轨道选择和发射日程就要受限于主要载荷的轨道和发射日程,因为发射成本的大头是由主要载荷承担的。发射延期和缺乏专用运载工具的问题限制了小型卫星的市场潜力,造成小型卫星积压,只能等待自己的太空之旅。

另外一个问题是系统可靠性。综合任务数据库显示,2000 年以来发射的立方体卫星中,超过 40% 的卫星未能达到目标,对工程系学生或实验性商用系统来说,这个失败率可能还在可接受范围内,但对于实现国家安全目标来说却不可取。我们面临的挑战是,卫星系统的工程设计要具备太空资产所必需的可靠性,同时元件成本和测试成本还必须与小型卫星和立方体卫星的硬件成本保持一致。

小型卫星面临的其他挑战还有数据处理方面的局限和法规限制。小型卫星的发射涉及大量文书工作,要证明次级载荷“不会损害”主要载荷。然后还有对太空垃圾的担心,以及随之而来的离轨要求。

也许小型卫星带来的最大挑战同时也是其魅力所在:成本相对低廉。由于立方体卫星和小型卫星成本低廉(其造价还会随着技术进步继续下降),很快随便什么人,包括我们的敌人,都能进入太空,而在此之前,太空对他们来说还遥不可及。

在苏联发射“伴侣号”人造卫星几十年后,太空由三个国家主导:美国、苏联/俄罗斯以及后来加入的中国。太空正在变得越来越拥挤。如今,中国、欧洲航天局、法国、印度、以色列、伊朗、朝鲜、俄罗斯、英国和乌克兰都有卫星发射升空。小型卫星造价门槛低,所以预计太空中的卫星数量还会激增。这就带来了一个问题:10 年后谁会在太空,他们会做些什么?不幸的是,答案可能不太理想。我们不难想象这样的场景:某个恐怖组织和某个友好国家合作开发出具有侦察能力的立方体卫星,并以搭便车的方式将其送入近地轨道。进入太空的卫星越多机会就越多,对盟友和伙伴国来说是如此,对敌人来说也是一样。

管理风险,促进合作

我们面临的一个主要挑战是如何研发出更快更智能的人造卫星。美国及其盟友和伙伴国必须认识到,目前有很多国家可以进入太空,所以必须在太空系统中引入复原力和冗余设计,并将其作为战略性的军事优先事项。简而言之,各国应该分散风险。好消息是,分布式计算和机器学习方面的进步意味着科学家可以创建一个可以自我修复的分布式网络。这样,如果由 100 颗卫星组成的卫星群中的某一颗受到破坏,其他卫星能补上残缺。

还有,必须对技术进行优化。如果小型卫星的数量比以往任何时候都多,收集的数据也更多,那下一个问题就是:如何处理这些数据?当然,还有其他很多问题:各国如何保障网络安全?如何保护其卫星不受太空天气(即太阳、太阳风、近地空间和上层大气中的所有状况和事件)影响?以洛斯阿拉莫斯为例,该实验室正利用数十年研发太空仪器的经验、对太空极端环境的了解和超级的计算机能力来回答这些问题。

只是发展适当的技术并不够。美国及其盟友和伙伴国还必须在全球范围进行仔细规划,而非仅仅局限于本国内部。正如制定国际航运和空中交通路线一样,国际社会必须携手找出如何合作对太空进行监管。

现实情况是,在未来几十年里,太空会越来越拥挤,如何利用太空将改变整个世界。这种改变转瞬即到。国际社会是否会在人造卫星充斥整个地球轨道前奋起迎接挑战?如果答案是“是”,那各国必须从现在起就共同努力来解决这些问题。

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