转科学网:未来,让我们从淘宝DIY一颗卫星去观测太阳
y01232014/05/02航天技术 IP:江西
造一颗遥感卫星需要多少钱?在大多数人的脑子中,那一定是天文数字吧。我对这个也没有具体的概念,但通过网上的资料,可以间接估算出来。例如,去年年底的一则新闻说中国为玻发射卫星造价3亿美元[1]。其他的一些内容更详细一些:在整个商业卫星的产业链中,依据国际通行的算法,平均每发射一颗卫星,卫星制造费用约1.2 亿美元;火箭费用约为卫星造价的25%,约0.3 亿美元;发射费用也是卫星的25%,为0.3 亿美元;保险费约为前三项的20%,0.36 亿美元,总计约2.16 亿美元[2]。当然,也有估价更高的,比如说50亿人民币[3]。有这些差异是可以理解的,因为不同用途的卫星,所采用的部件可能有较大差异。无论如何,数亿美元,或者说数十亿人民币的价格的确不是一个小数目了。我想,没有哪个人会想到自己将来拥有一颗卫星吧。但遥感卫星科学技术的发展,却超越了我们的想象力。在今年4月17日出版的Nature中,以“微型卫星证明了它们的科学力量”[4]为题发表了一篇文章,详细介绍了微型卫星的发展现状,特别提到了其廉价的特性。《中国科学报》将这篇文章的全文翻译过来了,并拟定题目为“从沃尔玛买颗卫星”[5],更加夺人眼球呀!

这是真的么?今天就让我们来聊聊这个话题。

微型卫星计划,全球都在摩拳擦掌,该卫星及其组网技术是国际高科技研究的热点之一。说到微型,一般指体积小,重量轻。根据不同的侧重点,有许多不同的称呼。比如,微纳卫星(NanoSat),也有直接翻译为“纳卫星”的,通常指质量在1~10kg 之间具有实际使用功能的卫星;还有一种质量更小的卫星称为“皮卫星”(PicoSat),指质量小于1千克的卫星。而关注体积的微型卫星最有代表性的是“立方体卫星”(CubeSat),一个边长只有10厘米的立方体。要微型卫星能够工作,其功能密度一定要高,要保证单颗卫星可以完成简单的任务,多颗卫星组装起来又可以完成复杂的任务。另外,我们可能会问,这样的卫星是否可以“一箭多星”呢?当然,甚至“一箭百星”都有可能呢,是不是像天女散花或者放飞的鸽子?有一个计划还真的称之为鸽子(Dove)。如果稍微懂一些卫星的知识的人,马上会想到,这么小的卫星,有机载的推进系统吗?通常推进剂是必须装载在一个厚重的高压容器内,很难减少尺寸的。迷你推进器是未来的重要发展方向,目前大多数微型卫星都是缺少推进系统的,所以它们通常只能固定在一个特殊的轨道上运行。缺乏推进系统,卫星无法调整姿态,因此卫星一旦偏离轨道就不可能校正,卫星的寿命相对比较短,一般只有1~3年,有人也将之称为“一次性”卫星,完成任务后就会坠入地球大气层烧毁。目前,在CubeSat卫星平台上已经设计出了微型等离子推进器“CubeSat双极性推进器”(CAT),这种推进器可推动一个5公斤重的卫星进入深空,甚至是飞出太阳系进入星际空间,成本只是以往类似任务的千分之一。此类探测器还可望在土卫二、小行星上寻找生命,或者对太阳耀斑进行调查[6]。

我今年写了许多博文,都与微型卫星的发展有关的。这些卫星提供了新颖的快速方法来收集空间数据。据统计,自2003年以来,总计有130颗立方体卫星发射升空;而去年一年就有63颗布置完毕,相当于全部数量的一半。2013年11月推出的立方体卫星称为萤火虫(Firefly),是第一颗用于研究γ射线反射的卫星,科学家们正急切地等待着结果。现在发回的信息主要是地面γ-射线的闪光——是一股由闪电引发并射向太空的高能脉冲。萤火虫由三个立方体构成,因此一颗长宽为10cm,高30cm的人造卫星,卫星的大部分装配是由本科生完成的。类似萤火虫的微型卫星的零件造价便宜,无发射成本,在科研领域蓬勃发展。微型卫星的发展越来越多样,从探测可能导致地震的电磁信号,到监控在宇宙中生产细菌蛋白的过程。而一项名为INSPIRE的任务更是计划将两颗立方体卫星对投送到地球轨道之外,该任务最早将在今年年底之前发射。这两颗卫星将跋涉150万公里,这相当于地球到太阳距离的1%,并从那里绘制太阳射出的太阳风的带电粒子。据称,这是人类首次监控到规模小于10公里的太阳风波动,同时这个项目证明了CubeSat卫星可以在地球轨道外生存,并完成定位和通信的工作[4]。

CubeSat卫星是在1999年问世的一种教育工具。为了便以本科生制作,这些卫星都设计得足够微小而且比较简单,而同时为了便于火箭能容纳下,都有一个标准尺寸。斯坦福大学的Robert Twiggs设计了一款边长10厘米的小盒子,恰好足够容纳通信单元、太阳电池板、一块电池和一些附属物,总重量在1公斤左右,这就是立方体的由来。第一个CubeSat卫星于2003年推出,有六个项目搭乘了俄罗斯的Eurockot运载火箭,平均每立方需要4万美元的价格;2010年,NASA开始了CubeSat的发射计划,每年挑选十多个申请提供一趟免费搭乘之旅。到目前为止,这一倡议已经惠及了超过100个研究项目,其中有24颗卫星成功抵达预定轨道,其余的卫星则在排队等待升空。2012年,另一个进入太空的发生通道开放了,主要由国际空间站来部署。同时,十几个商店如雨后春笋般涌现出来,销售标准化的部件。例如,旧金山的Pumpkin所出售的底盘价格为7500美元、太阳能电池板价格为2500美元。整个CubeSat卫星建造起来不到10万美元。低廉的制作成本促使美国国家科学基金会(NSF)于2007年启动了一项旨在鼓励CubeSat卫星使用的项目,NSF希望借此来更多更快地获得数据,因为它比动辄数百万美元的卫星项目要划算得多[4]。

一些私人公司也对CubeSat卫星产生了兴趣。例如,行星实验室(Planet Labs)在今年2月份就用这样的卫星构建了地球影像系统Dove,整个卫星群包括28颗卫星,每颗都由三个立方体单元构成,从国际空间站发射。理论上说,有这么多卫星围绕地球运行,那么地球上的每一点每天都被拍摄了至少一次,从根本上提高了实时监控能力,这个可以称为CubeSat的杀手级应用[4]。行星实验室目前还正在通过“互联网开发”的方式来推进卫星研发的进度。他们强调不断试错,并且通过实际发射试验来不断积累研究数据,这和以往的卫星发射思路截然不同。重要的是,一旦计划中的128颗卫星发射成功,全天候地球全景数据收集系统就完成了,也将开放给所有人。目前行星实验室已经在自己的网站上给出了开放的api,期望能够与农业,能源,林业,基建,制图,自然资源等产业中的公司合作,使得这些公司可以随时通过开放的api接口了解实时地球图片信息[3]。

边长为10厘米的正方体是否已经足够小了呢?但许多人还是喜欢更小的产品,一些先行者也正推动CubeSat卫星进一步“瘦身”。2009年,Twiggs将一颗立方体卫星改造成边长为5厘米的“便携式魔盒”,首批新型的立方体卫星于2013年11月发射升空进行测试。这些示范项目的零件成本只有区区数百美元,其中一些部件只有数十美元,他开玩笑地称之为50美元卫星。他说“我很喜欢这个想法,我基本上可以在沃尔玛买东西,然后建造卫星让它飞上天”。到目前为止,受零部件和发射机会所限,新型CubeSat卫星还没有大规模的商业应用。2014年4月18日,SpaceX的一艘火箭将Kickstarter公司赞助的价值3万美元的KickSat卫星发射到了国际空间站。两周后,KickSat将从国际空间站吐出,104个邮票大小的“蕊片卫星”(ChipSat)将释放出来。这些芯片卫星配备有无线电发射器,任何人都可以通过拍卖竞价的方式购买,起价300美元一颗。芯片卫星非常轻薄,因此不会因为反复进出大气层而烧坏。这将使得研究者能够绘制地球高层大气中的风力图,或者在深空探测中到火星表面建设一组加速器网络。到目前位置,芯片卫星和袖珍卫星能做的事儿也仅仅是广播他们的位置或短消息,但这种类似小把戏的东西在不久的将来就会变得很实用,利用层层密布的立方体卫星对目标地物提供全方位、无死角的视野,或将之用于更多一次性任务中。另外,对于太阳系其他行星的探测工作,可以进行更细致的研究了,比如可用于土星光环研究中,在土星光环中选择一块较大的陨石,让价值1万美元的廉价飞行器着陆[4]。

在TED2014大会上,行星实验室回答了大家最为关注的一个问题,那就是行星实验室将会拿这些海量的数据用于何种用途?负责人的回答挺好:“这取决作为观众的你,打算为人类解决什么问题?”因此,对地球的实时监控已经从一个国防问题衍生为一个庞大的产业格局,为更多下游的产品提供了众多的机会。对于占据人员优势、有众多市场潜力的中国来说,未来为这些微型卫星提供专门配件,或者为卫星提供下游产品的企业也会越来越多,成本会进一步降低。也许,在不远的将来,我们就能从淘宝直接购买,或者购买组建DIY一颗属于自己的卫星,利用团购的发射项目发射升空,去观测太阳或太阳系的其他行星。




参考资料

[1] 中国为玻发射卫星造价3亿美元,中方承担部分费用

[2] 发射一颗卫星需要多少钱

[3] 更便宜的海量实时卫星数据,意味着什么?

[4] Mini satellites prove their scientific power. Nature 508, 300–301 (17 April 2014) doi:10.1038/508300a

[5] 从沃尔玛买颗卫星:微型卫星为采集空间数据辟快捷廉价新途径

来自:航空航天 / 航天技术
12
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~~空空如也
地狱猫
9年4个月前 IP:天津
739151
有可能
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虎哥
8年7个月前 修改于 8年7个月前 IP:四川
791613
这个趋势是明显的,我们应该加快发展空间技术。也不会简单到随便在淘宝上买些工业级电路就能制造卫星的程度,尽管有学生的确是在淘宝上买开发板拼卫星,但可靠性太低。太空严苛环境下(特别是辐射环境),各方面设计都是比较讲究的。但是我们可以在淘宝上出售卫星,文章的预测就成为现实了。。
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金星凌日
8年7个月前 IP:陕西
791641
现在太空垃圾已经够多了。如果发射卫星的成本降低到这种程度,没准地球会变成第一颗有光环的类地行星。
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568981484
8年2个月前 IP:上海
811639
许多卫星表面都包裹金膜,按照东方红的技术而言不是难事,缺的是送入轨道的火箭,目前中国貌似还没有民间运载火箭成功试飞过吧
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随天
7年10个月前 IP:广东
821634

感觉如果真的到了以普通人都可以轻松承受的价格发射一颗卫星到轨道上去的话,那肯定会出现各种限制,说不定还会出现“发射法”之类的法规

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我说要有光
7年10个月前 IP:河北
821652

太空是非常大的。

即便是卫星密布的同步轨道也有足够的空间,诸位可以想象一下用卫星在地表赤道上铺成一个圈的样子,同步轨道可比赤道长多了。

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