“瓦力”“爱娃”:火星附近第一对人造小不点

Space Exploration - - 太空探索 |【洞察号与火星探测专题】 - 文/ 李会超

一个只有台式电脑机箱一半大小的小家伙,从地球发射之后,可以像先前的那些大块头探测器一样,在6个多月的时间内走过从地球到火星的漫漫长路,最终到达火星附近,是不是非常神奇? 5 月 5日,被命名为”瓦力“(Wall-e) 和“爱娃”(Eva)的两颗立方体小卫星和洞察号火星探测器一起,由宇宙神5火箭发射升空,开始了她们的火星之旅。

名字的由来

喜欢皮克斯动画电影的读者一定不会对”瓦力“和“爱娃”的名字感到陌生。在电影《机器人总动员》中,机器人瓦力和爱娃的故事让无数影迷为之动容。此次发射升空的这两颗立方星,其正式名称为 Marco-a 和 Marco-b (Marco 是 Mars Cube One 的简称)。由于它们的推进器工作时会将一种冷的气体喷出,和电影里“瓦力”和“爱娃”在太空中飞行时的动力来源相似,因此才获得了这两个可爱的昵称。

她们的形状

立方星是卫星家族中的小不点,其概念最早由美国加州理工大学和斯坦福大学提出。立方星由边长为10厘米、质量一般在1千克左右的或更轻的立方体功能单元构成。单独使用一个这样的功能单元,就能设计制造一颗能在太空中工作的卫星。将2 个、3个或6个这样的功能单元拼装在一起,可以构成功能更丰富的立方星。目前,已经有数百颗立方星被发射到了太空之中。这些立方星一般采用“搭车发射”的方式,即利用大型航天器发射时,火箭的富余运载能力发射。此次去往火星的“瓦力”和“爱娃”,都是6U立方星,即由6个立方体功能单元组成的卫星,长、宽、高分别为 36.6 厘米、24.3 厘米和 11.8厘米。立方星一般采用成熟的商业货架产品作为配件,体积质量较小,研发、制造和发射成本都比较低,特别适合于新技术的验证试验和大学、科研机构在经费有限的情况下开展与空间有关的研究。在“瓦力”和“爱娃”之前,所有的立方星都工作在地球附近,而“瓦力”和“爱娃”是人类历史上第一对脱离地球引力束缚、飞入行星际空间的立方星。

个头小作用大

“瓦力”和“爱娃”的功能和设计是一模一样的。在本次任务中,她们互相作为彼此的备份,完成“洞察号”着陆火星时的通信中继任务。如果没有这两个小家伙,“洞察号”也能借助目前正在环绕火星工作的火星勘测轨道飞行器进行与地球的通信中继。然而,由于火星勘测轨道飞行器的轨道高度距离火星表面仅几百公里,与地球间的通信链路可能会因火星的遮挡而中断,地面控制人员也需要等待一个小时左右才能收到从火星传来的信息。按照计划,在“洞察号”着陆前的关键飞行过程中, “瓦力”和“爱娃”将以距离火星表面 3500公里的距离飞掠火星。在此期间, “瓦力”和“爱娃”可以始终和地球保持联系,地面控制人员只需等待几分钟,就可以获取“洞察号”在着陆火星的关键飞行过程中的状态。

为了完成通信中继任务,“瓦力”和“爱娃”装配了两个频段的通信设备。一组通信设备工作在特高频(UHF)频段,用于与“洞察号”通信。另一组通信设备工作在X频段,用于和地球通信。和我们印象中常见的“大锅”式天线不同的是,洞察号采用了一种平板式X波段通信天线,能够以较小的体积实线较高的通信增益。

“瓦力”和“爱娃”虽然是两个小不点,但它们去往火星的飞行却是独

立完成的。在宇宙神5火箭发射“洞察号”的过程中,“洞察号”安装在了半人马座上面级的顶部,也就是安装卫星的一般位置。而“瓦力”和“爱娃”则寄居在了半人马座上面级尾部的一个隔舱中。当半人马座上面级飞行到合适位置后,会首先将“洞察号”释放,再将尾部的“瓦力”和“爱娃”释放。与火箭分离10分钟后,“瓦力”和“爱娃”将会展开自己的太阳能帆板,开始为自身供电。在执行通信中继任务时,“瓦力”和“爱娃”需要调整自己的姿态,使X波段天线和UHF波段天线的朝向刚好合适。但在这种情况下,太阳能帆板将无法接收到充足的阳光。因此“瓦力”和“爱娃”还内置了和手机使用的锂离子电池原理基本相同的电池,用来在通信中继过程中给卫星供电。在飞往火星的过程中,“瓦力”和“爱娃”将验证微小的立方星能否借助性能有限的系统完成行星际飞行的控制、导航和通信工作,以及卫星自身能否经受住行星际飞行相对恶劣的空间环境的考验。

为深空探测拓展视野

如果“瓦力”和“爱娃”能按照计划成功执行它们的任务,将会给立方星的应用打开新的天地。例如,一些在行星上着陆的探测器可以携带立方星一起发射,由立方星为它提供通信中继服务,从而使任务的执行不再依赖其他已经发射的航天器。

以往,在行星际空间或其他行星附近工作的科学探测器的研发周期一般很长,项目预算一般也比较高,从科学探测方案的提出到探测器发射升空、产生科学数据,需要等待较长的时间。而立方星研发周期短、预算成本低,可以快速地将科学家们的想法付诸实施。在行星际空间和其他行星附近,立方星可 以对太阳风、宇宙线的空间环境参数进行就位探测,还可以进行行星大气掩星探测,利用无线电信号穿过行星大气层时发生的变化推断行星大气层的一些特性。

据美国宇航局在发射后公布的消息,“瓦力”和“爱娃”在进入轨道后的工作状态不错。卫星在发射一天后在太空中顺利开机,与地面控制系统建立了稳定的通信。5月 9日,在距离地球 约 100万公里的地方,“瓦力”上用来监视卫星状态的鱼眼广角相机拍下了地球和月球在太空中的影像。上世纪70年代,当旅行者号探测器踏上太阳系探测的旅程时,也曾在这个的距离上拍下过一张相似的图片。希望“瓦力”和“爱娃”也能像她们的前辈“旅行者号”那样,为人类太空探索开辟新的领域。★

▲《机器人总动员》中的瓦力(左)和爱娃(右)

▲工程师在测试瓦力和爱娃(其中一颗)的功能。图中与地面垂直的黄色平板即为X波段通信使用的高增益天线

▲“瓦力”和“爱娃”为“洞察号”提供通信中继的示意图

▲瓦力和爱娃在距离地球约100万公里的位置拍下的地球与月球的照片

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