過去幾十年來，人類探索太空的方式不僅耗時費力，而且成本高昂。但是衛(wèi)星小型化技術的崛起正在重塑太空探索行業(yè)。

圖：2019 年 8 月，Rocket Lab 的 Electron 火箭從新西蘭發(fā)射升空

今年年初，美國宇航局（NASA）為應該選擇哪些機器人任務來探索太陽系而苦惱不已。來自美國各地的研究人員提出了 20 多個想法，如探測小行星和金星大氣層、鉆探月球熔巖管道等。最終，NASA 選擇了其中四個發(fā)現(xiàn)級任務。幾個月后，NASA 又從四項任務中挑選兩項全額資助，每項任務成本上限為 4.5 億美元，并將在未來十年內(nèi)發(fā)射探測器。對于未被選中的想法，未來幾年可能會有更多的機會，但這需要漫長的等待。

這就是 NASA 幾十年來從事太空探索的方式?？茖W家們首先提出各種各樣有關太陽系探索的想法，然后 NASA 確定幾個重點項目進行資助。從最初的想法到將數(shù)據(jù)帶回地球，整個過程通常需要幾十年的時間。這種方法取得了驚人的成功。在過去的半個世紀里，NASA 探索了太陽系中的大多數(shù)大型天體，包括太陽、水星、冥王星等。然而，關于太陽系，仍有太多的秘密等待我們?nèi)チ私狻?/p>

現(xiàn)在，新興技術可能會推動 NASA 和世界其他機構(gòu)進入一個所花時間更短、成本更低的太空探索時代，這將促使人們在短時間內(nèi)進行更多的探索，并使進入太陽系變得更加容易。

近年來，許多新興公司正在為發(fā)射微型衛(wèi)星開發(fā)新式火箭，每次發(fā)射的成本約為 1000 萬美元?；鸺龑嶒炇夜荆≧ocket Lab）已經(jīng)宣布了其小型火箭 Electron 的登月計劃。維珍軌道公司（Virgin Orbit）已經(jīng)與多家波蘭大學合作，利用其 LauncherOne 運載火箭向火星發(fā)射了三次任務。

與此同時，衛(wèi)星的各種零部件，從推進系統(tǒng)到電池再到所攜帶的儀器，都在小型化。就像手機那樣，如今的智能手機比幾十年前的大型機具有更強的計算能力，微型衛(wèi)星也在遵循同樣的基本趨勢。

此外，微型衛(wèi)星的潛力已經(jīng)得到實踐檢驗。兩年前，NASA 建造的兩顆立方體衛(wèi)星 (CubeSat)與洞察號（InSight）任務同時發(fā)射升空。在太空中，這些微型衛(wèi)星展開了自己的太陽能電池板，穩(wěn)定了軌道，總是以面向太陽的方向旋轉(zhuǎn)，然后前往火星。

西雅圖科技公司 First Mode 的應用行星科學家伊麗莎白 · 弗蘭克 (Elizabeth Frank)說：“我們正處于非常有趣的時刻，人們可以更快地完成太空任務，再也不需要動輒花費幾十年的時間。這創(chuàng)造了更多的機會，這是行星科學中非常激動人心的時代。”

微型衛(wèi)星

NASA 噴氣推進實驗室工程師、微型衛(wèi)星任務技術負責人安迪 · 克萊什 (Andy Klesh)說，立方體衛(wèi)星有幾個目標。由于立方體衛(wèi)星以前從未飛出過近地軌道，因此在為期六個月的火星之旅中，它們證明了微型衛(wèi)星的確非常適合探索太空，控制方便，并在到達目的地后，使用高增益天線以每秒 8 千比特的速度將數(shù)據(jù)傳輸?shù)厍颉?/p>

但公文包大小的立方體衛(wèi)星不僅僅是個技術演示。隨著 2018 年火星洞察號著陸器的發(fā)射，NASA 在其即將進入火星大氣層并降落在這顆紅色星球的關鍵時期遭遇通信中斷。為了縮小通信距離，NASA 斥資 1850 萬美元建造了兩顆名為 Marco 6U 的立方體衛(wèi)星，并用它們在著陸過程中傳遞回洞察號的數(shù)據(jù)?？巳R什表示，如果洞察號未能著陸，這兩顆衛(wèi)星就會充當黑匣子數(shù)據(jù)記錄器。

NASA 立方體衛(wèi)星的發(fā)射成功改變了人們對小衛(wèi)星和行星科學的看法。任務結(jié)束幾個月后，歐洲航天局宣布將向一個雙星小行星系統(tǒng)發(fā)射兩顆立方體衛(wèi)星，執(zhí)行所謂的赫拉（Hera）任務。歐洲工程師特別提及，NASA 立方體衛(wèi)星任務的成功給他們提供了靈感，幫助他們下達了決心。

圖：2018 年 11 月 26 日，NASA 立方體行星在距離火星大約 6000 公里外的地方拍攝了這張照片

星際衛(wèi)星衛(wèi)星飛行任務的概念也激發(fā)了人們對新興太空產(chǎn)業(yè)的興趣。維珍軌道公司特殊項目主管威爾 · 波梅蘭茨 (Will Pmerantz)說：“那次任務引起了我們的注意，我們從中受到了很大啟發(fā)，并且想知道我們還能做些什么。”

波梅蘭茨表示，在 NASA 立方體行星任務結(jié)束后，維珍軌道公司開始接到研究小組關于 LauncherOne 的電話。LauncherOne 是該公司的小型火箭，由 747 飛機帶到高空釋放，然后啟動發(fā)動機。這種運載火箭能將多少有效載荷送入月球軌道？該公司能不能增加第三級？前往金星、小行星和火星執(zhí)行任務的想法蜂擁而至。

波蘭科學家相信，他們可以建造質(zhì)量在 50 公斤或更小的航天器 (每個立方體行星重量為 13.5 公斤)，可以拍攝火星及其衛(wèi)星火衛(wèi)一的高質(zhì)量圖像。這樣的航天器還能用于研究火星大氣層，甚至在火星表面下發(fā)現(xiàn)液態(tài)水的儲藏庫。進行低成本發(fā)射是這個想法被實踐的關鍵推動因素。

波梅蘭茨指出，如果沒有這種新的行星探索模式，像波蘭這樣的國家可能只能作為火星任務的幾個次要合作伙伴之一參與，而現(xiàn)在它完全可以自主進行探索。波梅蘭茨還說：“即使是規(guī)模不算大的太空探索任務，也能讓波蘭聲名鵲起。”

小型火箭

在立方體衛(wèi)星和洞察號著陸器搭乘 Atlas V 火箭發(fā)射升空的前幾個月，體積小得多的 Electron 火箭首次升空，這是由火箭實驗室開發(fā)并從新西蘭發(fā)射的新一代商業(yè)小型衛(wèi)星運載火箭，也是第一枚進入軌道的此類火箭。小型助推器的近地軌道有效載荷能力約為 200 公斤。但自從 Electron 首次亮相以來，火箭實驗室已經(jīng)開發(fā)了升級版 Photon。

火箭實驗室創(chuàng)始人彼得 · 貝克 (Peter Beck)表示，該公司相信 Photon 可以向火星或金星運送 25 公斤有效載荷，向月球運送最多 37 公斤。由于 Photon 提供了許多深空飛行器的功能，大部分質(zhì)量可以用于搭載傳感器和科學儀器。貝克說：“我們的意思是，只需 1500 萬至 2000 萬美元，你就可以登上月球。我認為這對科學界來說是一個巨大的、顛覆性的計劃?！?/p>

在 Electron 能到達的目的地中，貝克對金星最感興趣。他說：“我認為這是我們太陽系中的無名英雄，我們可以從金星那里了解到大量關于地球的信息?；鹦俏怂忻襟w關注，但金星才更應該受到重視，我們真的想要完成探索金星的任務?！?/p>

還有其他更大的火箭也在隨之而來。Firefly 公司的阿爾法（Alpha）助推器可以將近 1 噸有效載荷送入近地軌道，Relativity Space 公司則正在開發(fā)可以發(fā)射略高于 1 噸重物的 Terran 1 火箭。這些運載火箭可能會把立方體衛(wèi)星送到小行星帶之外，走向木星或更遠的地方。

最后，SpaceX 用更大火箭刺激的低成本發(fā)射革命也可能有所幫助，該公司的獵鷹 9 號火箭在可重復使用模式下發(fā)射成本不到 6000 萬美元，可以廉價地將更大的航天器送入太空深處。從歷史上看，NASA 為科學研究發(fā)射支付的費用是這個價格的三倍，甚至更高。

甘愿失敗

當然，這其中需要進行權(quán)衡。NASA 任務成本如此之高的原因之一是，該機構(gòu)采取了廣泛的預防措施，以確保其飛行器不會在太空環(huán)境中失靈。最終，NASA 的大多數(shù)非常復雜的任務確實取得了令人驚嘆的成功。

立方體衛(wèi)星的風險更高，冗余更少。但波梅蘭茨說，這沒關系。他以 NASA 的好奇號月球探測器任務為例，該任務于 2011 年發(fā)射，耗資 25 億美元，這些錢足以把 100 個微型機器人送入太陽系。即使只有四分之一的任務有效，那也意味著有 25 個迷你好奇號發(fā)射成功。

圖：用 25 個迷你好奇號取代 NASA 好奇號火星探測器，結(jié)果會更好嗎？

NASA 似乎對這個想法持開放態(tài)度，該機構(gòu)已經(jīng)表示，在尋求控制成本并與商業(yè)伙伴合作實施新的月球科學計劃時，它將學會接受失敗。NASA 科學項目負責人托馬斯 · 祖爾布欽 (Thomas Zurbuchen)表示，當 NASA 試圖將科學實驗降落在月球上時，他將容忍某些失誤。他去年表示：“我們并不指望每次發(fā)射和著陸都能成功?！?/p>

在噴氣推進實驗室，行星科學家和工程師也持開放態(tài)度。約翰 · 貝克 (John Baker)在實驗室領導著 “改變游戲規(guī)則”的技術開發(fā)和任務，他說，沒有人愿意花 20 年或更長的時間讓任務構(gòu)想成為現(xiàn)實，這期間充滿了不確定性。他說 :“現(xiàn)在，人們想要設計和打印它們的結(jié)構(gòu)，添加儀器和航空電子設備，為它加油并立即發(fā)射。這就是我們的未來愿景?！?/p>

當然，太空飛行仍然充滿了挑戰(zhàn)。許多技術可以微型化，但推進和燃料仍然是難題。然而，甘愿失敗會帶來很多新的可能性。貝克最喜歡的設計之一是前往金星的 “丘比特之箭”（Cupid's Arrow）任務，類似 NASA 立方體行星的航天器會被射入金星大氣層，機載質(zhì)譜儀將分析大氣樣本。這是可以在月球任務中作為次要有效載荷發(fā)射的任務，并利用重力輔助到達金星。

降低星際任務成本最令人興奮的方面是，它增加了新參與者的機會，像波蘭這樣的小國以及世界各地的大學都可以參與其中。貝克說：“我認為能做的最好的事情就是想辦法降低成本，然后把這項技術公之于眾。隨著越來越多的國家參與太陽系探索，我們只會學到更多。”

亞利桑那州立大學米洛研究所等組織已經(jīng)開始促進大學、新興太空機構(gòu)、私人慈善機構(gòu)和小型太空公司之間的合作。從歷史上看，行星科學家參與任務的機會如此之少，以至于研究人員很難獲得領導大型項目所需的項目管理技能。弗蘭克說，隨著更多小型任務的進行，她相信這將增加行星科學界的多樣性。

她還補充說，反過來，這將通過培養(yǎng)和增加全球人才庫，最終幫助 NASA 和其他大型太空機構(gòu)執(zhí)行規(guī)模更大、更具挑戰(zhàn)性的行星科學任務，這些任務仍然需要數(shù)十億美元和大型火箭推動。雖然有些事情可以更低成本的方式完成，但真正雄心勃勃的行星科學任務，如探測木衛(wèi)二海洋深處或繞冥王星軌道運行，仍將耗資巨大。