在美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)機(jī)器人燃料加注任務(wù)第三階段(RRM-3)期間，在軌道上為衛(wèi)星維修和補(bǔ)給燃料的測(cè)試工具與技術(shù)，將不會(huì)是國(guó)際空間站上的唯一演示驗(yàn)證任務(wù)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，一款先進(jìn)的高度緊湊的熱像儀(最早可追溯的前身正安裝在NASA陸地衛(wèi)星8號(hào)(Landsat-8)上飛行)，目前已安裝在RRM-3有效載荷的一角，一旦11月SpaceX Dragon補(bǔ)給車向軌道前哨交付有效載荷，這款熱像儀將會(huì)從其位置清晰地拍攝地球表面的照片和視頻。

當(dāng)RRM-3演示由NASA的衛(wèi)星服務(wù)項(xiàng)目部門(Satellite Servicing Projects Division，SSPD)開發(fā)的專用衛(wèi)星服務(wù)工具時(shí)，伴隨而來的這款緊湊型熱像儀(Compact Thermal Imager，簡(jiǎn)稱CTI)，將會(huì)對(duì)地球表面的火災(zāi)、冰原、冰河和雪表面的溫度進(jìn)行成像與測(cè)量。

CTI還將測(cè)量從土壤和植物轉(zhuǎn)移到大氣的水分，這是研究了解植物生長(zhǎng)的重要測(cè)量方法。包括上述測(cè)量與成像在內(nèi)的地球科學(xué)家研究的許多條件，都可以在紅外波段方便地進(jìn)行探測(cè)。

該圖為在NASA即將推出的機(jī)器人服務(wù)示范任務(wù)中展示的先進(jìn)探測(cè)器技術(shù)

(圖片來源：NASA)

基于應(yīng)變層超晶格技術(shù)(SLS)的CTI

這款CTI的使能技術(shù)是一種被稱為應(yīng)變層超晶格(Strained-Layer Superlattice，簡(jiǎn)稱SLS)的相對(duì)較新的光電探測(cè)器技術(shù)。

Murzy Jhabvala是位于馬里蘭州Greenbelt的NASA戈達(dá)德太空飛行中心(Goddard Space Flight Center)的探測(cè)器工程師，他介紹道：“SLS除了擁有非常小的尺寸(長(zhǎng)約16英寸、高約6英寸)，其特點(diǎn)還包括功率小、可在液氮溫度下運(yùn)行、易在高科技環(huán)境中組裝且成本廉價(jià)(幾乎可當(dāng)作一次性產(chǎn)品)等。”Jhabvala與其產(chǎn)業(yè)合作伙伴——位于新罕布什爾州(New Hampshire)的QmagiQ公司，共同合作開發(fā)了這款SLS探測(cè)器組件。

Jhabvala補(bǔ)充道，這項(xiàng)探測(cè)器技術(shù)也可為不同應(yīng)用快速且方便地提供定制方案。例如，戈達(dá)德探測(cè)器開發(fā)實(shí)驗(yàn)室(Goddard Detector Development Laboratory)最近制造了一個(gè)1024 x 1024像素的SLS陣列，并計(jì)劃在不久的將來將其尺寸增至2048 x 2048像素。

CTI和其SLS探測(cè)器將采用的另一項(xiàng)使能技術(shù)，是由戈達(dá)德開發(fā)的SpaceCube 2.0，這是一款強(qiáng)大的混合型計(jì)算系統(tǒng)，它將控制儀器并處理在軌道中所需的圖像和視頻。

Jhabvala認(rèn)為，此次示范的目標(biāo)是將SLS的技術(shù)成熟度(Technology Readiness Level，TRL)提高至TRL-9，達(dá)到該級(jí)別就意味著SLS已能在太空中飛行，并證明它可在太空極端環(huán)境條件下良好運(yùn)行。Jhabvala說：“這是非常重要的技術(shù)里程碑，我們需要通過這個(gè)任務(wù)來證明。當(dāng)我們成功地完成了探測(cè)器陣列演示，更多的探測(cè)器就可被制造、組裝并接入焦平面陣列，這將使我們未來有能力從太空對(duì)大片的地球表面進(jìn)行成像。”

基于量子阱紅外光電探測(cè)器(QWIP)技術(shù)

SLS基于量子阱紅外光電探測(cè)器(QWIP)技術(shù)，Jhabvala與政府和業(yè)界合作伙伴花了20多年的時(shí)間對(duì)其進(jìn)行改善。QWIP探測(cè)器目前正在陸地衛(wèi)星8號(hào)上運(yùn)行，并配備在即將完成的陸地衛(wèi)星9號(hào)熱紅外傳感儀器上。該紅外傳感器被戈達(dá)德科學(xué)家用來監(jiān)測(cè)陸地表面潮起潮落和植被健康狀況，西方國(guó)家可利用這些數(shù)據(jù)來監(jiān)測(cè)全球水源消耗。

與其QWIP前身一樣，SLS是一款大尺寸探測(cè)器。這些陣列是基于半導(dǎo)體晶圓制造的。晶圓的表面由數(shù)百個(gè)相互交錯(cuò)、非常薄的不同材料層構(gòu)成，經(jīng)過外延生長(zhǎng)和調(diào)諧來吸收紅外光子并將其轉(zhuǎn)化為電子(即電流的基本粒子)。只有具有特定能量或波長(zhǎng)的光才能釋放電子。讀取芯片直接與陣列配對(duì)，然后將電子轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)用來重建紅外源圖像的電壓。這樣，CTI也可以從距離地球表面近249英里的軌道上采集視頻。

10倍以上的靈敏度

SLS探測(cè)器比其QWIP前身的靈敏度高出10倍，并可在更寬的紅外光譜范圍和更高的溫度(70K，約-203℃)下運(yùn)行。與之相比，QWIP陣列需要在42K(約-231℃)下正常運(yùn)行。

Jhabvala認(rèn)為，工作溫度的提高會(huì)對(duì)未來的任務(wù)產(chǎn)生多重積極影響。

紅外線輻射作為熱能被感知。因此，必須為測(cè)量紅外波長(zhǎng)的探測(cè)器設(shè)計(jì)制冷，以防止儀器或航天器內(nèi)部產(chǎn)生的熱量影響被觀測(cè)物體的測(cè)量值。這就是工程師們使用冷卻器和其他設(shè)備來保持探測(cè)器陣列和其他關(guān)鍵儀器部件溫度的主要原因。

目前，Jhabvala與其團(tuán)隊(duì)已創(chuàng)造出可在更高溫度下運(yùn)行的陣列，其冷卻系統(tǒng)尺寸更小，能耗更低。Jhabvala認(rèn)為，利用這些屬性未來將會(huì)打造出尺寸更小、壽命更長(zhǎng)、建造周期更短且成本更低的衛(wèi)星。

就在RRM-3發(fā)布的前幾個(gè)月，Jhabvala回顧了該光電探測(cè)器技術(shù)的發(fā)展過程，以及與QmagiQ的合作歷程。QmagiQ已獲得NASA的小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新研究計(jì)劃(Small Business Innovation Research，SBIR)的資金支持，CTI團(tuán)隊(duì)將強(qiáng)化QmagiQ開發(fā)的技術(shù)，用于太空應(yīng)用。Jhabvala說：“在過去幾年里，我們與QmagiQ公司共同合作取得了杰出成就。我們的持續(xù)合作已為NASA和美國(guó)政府帶來了真正的回報(bào)。我們與QmagiQ和NASA有著良好的信任基礎(chǔ)。”

右圖是利用基于SLS探測(cè)器陣列的成像效果，與左圖基于QWIP技術(shù)成像相比，其分辨率有顯著提升

(圖片來源：NASA)