纳型卫星扬“帆”起航

路易斯·弗莱德曼

译/ 康宁

“宇宙1”号太阳帆飞船发射失败后，行星协会理事会的成员，尤其是安·德鲁伊恩，仍然对太阳帆项目给予了坚定的支持。她鼓励我不要放弃，尽快从挫折中恢复自信。安是一位企业家，对“宇宙工作室”充满了浓厚的兴趣，和我一起努力寻找新的赞助商和捐助人。媒体公司似乎是一个很自然的选择，她成功地从美国探索频道获得了种子基金，这笔资金使我们能够对“宇宙1”号的失败进行调查，并重新设计成本少、风险低的新型微型航天器。

NASA的“纳米帆—D”纳型卫星太阳帆飞船

但美国探索频道的资助只是基本资金，我们并没有争取到其他媒体公司的支持。终于，4年之后，一个偶然的机遇出现了，我们既获得了资金支持，又得到了技术支持，新的太阳帆项目开始了。技术方面的机遇来自NASA 的“纳米帆-D”航天器项目，该项目成本低，富有创意，是ASA 下属的两家研究中心——艾姆斯研究中心和马歇尔航天飞行中心——开展的。“纳米帆-D”航天器也曾遭遇过与“宇宙1”号太阳帆飞船相同的命运：2008年8月，在新型商业化火箭——“猎鹰”号——的首航中，该航天器发射失败，消失在茫茫太空中。“纳米帆-D”航天器的飞行计划就此终结，但NASA有一艘闲置的飞船，如果我们能确保其发射，NASA将把这艘飞船送给行星协会。

我们当然同意。但经过6个月的谈判，NASA却改口了。他们找到了另一家合作伙伴——美国国防部，共同建造FASTSAT卫星。而那时，我和吉姆·坎特雷尔（行星协会太阳帆研究团队负责人、系统设计师）正着迷于纳米帆的超轻量设计。我们与托马斯· 斯维特克合作，他经营着一家著名的私人航天技术研发公司——星际探索公司，同时也是纳米航天器设计方面的专家。经过

考虑，我们认为我们实际上并不需要那艘闲置的纳米帆航天器，而是需要把自己设计的航天器重新改进。

与“纳米帆-D”飞船设计不同，我们的航天器拥有一套控制系统、双向无线电通信以及车载成像摄像机，并且可以发射到足够高的轨道，而不必考虑太阳帆在飞行时遇到的阻力。所有这些都是“纳米帆-D”飞船所不具备的。与第一艘利用私人资金建造的太阳帆飞船“宇宙1”号相比，我们率先采用了轻量小巧的设计，使成本更低，也更实用。这是一个极具创新的想法，将会产生新一代低成本、用于特殊任务的航天器。我们可以搭上新兴的立方体卫星行业的便车，在世界

各地不同类型的火箭上进行第二次发射。吉姆·坎特雷尔、托马斯·斯维特克和我共同组建了一个新的太阳帆团队，来努力完成这一使命，即“光帆”飞船。

吉姆·坎特雷尔最初来到行星协会工作是在20世纪80年代末，当时他还是一名猶他州立大学的学生，参与了我们的火星气球和火星探测器项目。犹他州有一个出色的航空航天工程部门，是在弗兰克·雷德教授和吉尔伯特·摩尔博士的召集下成立的。弗兰克·雷德教授是微型航天器开发的先行者，而吉尔伯特·摩尔博士极具创新思想，为年轻人创造了意义非凡而又令人兴奋的教学项目。吉姆和另一名学生乔治·鲍威尔帮助行星协会创立了第一批私人资助的行星探索项目，

之后二人继续开始他们的工程和商业生涯。吉姆成为火星气球领域的专家，20世纪90年代，行星协会将他“租借”给法国太空局，以帮助他们研发一项俄罗斯航天飞行的项目。在此之后，吉姆参与了大量国防和民用太空计划，其中包括国防项目中的国际合作计划。他也是犹他州立大学培养出来的微型飞船革命的开拓者之一。如今，他一心扑在航空航天工程（拥有自己的公司）和泛美跑车赛上了。在整个航空航天领域，他拥有广泛的人脉，从商业化、学术型的小卫星开发商到大型国防项目的承包商，他都保持着联系。

航空航天业的很多人（特别是年轻人）都参与了新型立方体卫星和纳米卫星的研发。许多业界资深人士将这类卫星视为“玩具”，认为它只对教学有用，而解决不了任何实际问题。不可否认，纳米卫星航天器的开发还处于起步阶段，但技术会越来越好，应用也会越来越实际。

托马斯·斯维特克是我的同事，也是我的朋友。他在立方体卫星和微型航天器领域知识渊博。托马斯是加州理工学院杰出的博士，我认识他时，他还在他的老家捷克斯洛伐克读书。那时他就对太阳帆产生了浓厚的兴趣，并写信给我（当时我是喷气推进实验室太阳帆研发项目的主持人），信中附有他撰写的关于太阳帆的论文。之后，我们进行过多次通信交流，终于我们在1982年的巴黎国际宇航大会上见面了。几年后，我在布拉格参加“国际哈雷观测”大会时，再次见到了

他。在一家小酒馆，我们品味着上好的捷克啤酒，托马斯告诉我，他和家人正计划前往美国。我把他的大学成绩单交给加州理工学院，这样他被录取为博士生，师从布鲁斯·默里教授。

托马斯非常专注于建造各种用于太空飞行的装置，包括各种仪器、子系统，甚至一艘完整的航天器（即我们设计的“光帆”）。他在加利福尼亚州圣路易斯奥比斯波市创办了自己的公司——星际探索公司（之所以选择该市，是因为这里是居家生活的理想之地，同时加州州立理工大学航空航天工程部也坐落于此）。加州州立理工大学在立方体卫星研发与飞行体验领域处于领先水平。

    “光帆”的四个双面太阳能电池板合在一起，航行开始前可以弹开。两张电池板上安装了摄像机。

托马斯、吉姆和我粗略地估计，建造和发射宇宙飞船需要大约180万美元。这笔钱超出了行星协会从普通会员捐款中可以筹集到的数额。与“宇宙1”号一样，我们需要一个大赞助商或捐助人来承担大部分资金，然后才能依靠协会会员的支持。2009年年中，偶然的融资机会到来了，我们的研发总监安德莉亚·卡罗尔告诉我们，一名来自得克萨斯州的行星协会会员在我们的公共邮箱留言说，他对我们的太阳帆项目非常感兴趣，并且有提供大笔资金的渠道。安德莉亚和那位会员见面交谈后，确信他是诚心诚意的。我们邀请他在帕萨迪纳见面。早餐时他问我：“如果我给你100万美元，能够吗？”我脱口而出：“够！”我想安德莉亚肯定对我如此之快的答复感到吃惊，但是我心里有数，有了这笔资金，剩下的钱就好筹集了。最终，我们握手成交。我得到行星协会理事会的许可，于2009年9月与吉姆、托马斯一起正式开始“光帆”项目的开发。

“纳米帆-D”航天器是一个三单元立方体卫星，两个单元用于航行储备，一个单元用于电子运算。观看动画演示时，你会感觉一艘很小的飞船却配了一个巨大的帆。

立方体卫星上的单元每边长大约10厘米，整个飞船可被装进一件登机携带的行李箱中。“光帆”的设计是第一款全功能立方体卫星飞船，包括姿态控制、无线电、摄像机、太阳能和电池电源，以及用于命令、控制和数据处理的板载计算机。“光帆”飞船上帆的面积是“纳米帆-D”飞船上帆的面积的2倍，帆可以塞进立方体卫星中，这使我确信这种纳型设计将引领星际飞行的未来。

2012年4月，我完成了航天器的开发。然而，尽管被NASA的纳米卫星教育发射计划项目选中（通过与NASA艾姆斯研究中心的合作协议），但是一直没有合适的机会将我们的航天器发射到足够高的轨道。我们的航天器与其他基于立方体卫星的航天器不同，因为我们需要发射到超过800千米以外的太空，高于地球的大气层，以便航天器能够在太阳辐射压力下飞行，而不会受到大气分子的阻力。2012年5月4日，经过一周全面的端到端系统测试、机电测试和通信系统测试后，我

们将航天器进行密封存储，等待发射机会的到来。不过我们仍有一些工作要做，软件还不够完善，在最终发射之前需要更新，对于无线电装置，我们也没有完全的信心。由于资金周转、航天器存储以及发射日期未定等因素，行星协会理事会决定暂时把这个项目搁置到下一年。

彼时我开始担任项目总监一职。行星协会最终还是没有得到NASA的高轨道发射机会，只在2015年获得了一个低轨道发射机会，可以对我们的备用航天器进行部署测试。我们组建了一个新的团队，完成了测试并准备发射。我们还与佐治亚理工大学签署了合作协议，把他们的Prox-1航天器（“Prox”代表近距离）部署在我们的航天器旁。Prox-1是他们为美国空军开发的航天器。

届时Prox-1将能够用于观测我们的“光帆”航天器，这简直太棒了。遗憾的是，Prox-1的发射高度（“光帆”的高度同样如此）将略低于所需的800千米高度，但是对太阳帆飞行而言也足够高了。

行星協会在太阳帆方面付出的努力，首先推动了技术的发展，有朝一日这项技术将把人类带往太空;其次，这是人类首次利用光的力量来推进航天器在太空飞行。完成了第一艘太阳帆飞船（“宇宙1”号）的建造时，我们认为成功就在眼前，但2005年发射失败了。2009年我们启动了设计“光帆”的新尝试，但在我们建成之前，日本宇航探索局成功地发射了“伊卡洛斯” 号太阳帆飞船，“伊卡洛斯”号也因此被载入吉尼斯世界纪录大全。我们感到风已经不再吹向我们这边了，别人抢在了我们前头。然而，积极的一面是，我们的设计引起了迅速发展的微型飞船界的关注，并为NASA的“新爱迪生”计划和喷气推进实验室的星际立方体卫星项目打下基础。我们的研究正在传承给我们的下一代。

目前，有几个研究团队正在建造太阳帆飞船，并计划在未来几年内飞行。英国萨里大学开发的太阳帆飞船与我们的“光帆”飞船非常相似。萨里大学的飞船基于立方体卫星设计，名为“立方体帆”，体积比“光帆”还要小，其意图不在于使用太阳帆飞行，而是作为大气阻力制动器在低地球轨道上清除卫星碎片。“纳米帆-D”的用途也是如此。他们希望开展商业化开发，以帮助卫星运营商解决日益受到关注的轨道卫星碎片问题。

与伊利诺伊大学紧密合作的CU航空公司的项目也被称为“立方体帆”，目的是在大气层中飞行，开展测量工作。把这些利用帆在大气层中飞行的航天器统称为“太阳帆”，多少有点学究气。

2009年，路易斯-弗莱德曼和比尔·奈依在检查太阳帆。

更重要的是，NASA对太阳帆产生了浓厚的兴趣。最近，NASA批准了两项基于“光帆”设计的纳型卫星太阳帆任务，一项被称为“月球闪光灯”（Lunar Flashlight），另一项被称为“近地小行星侦察兵”（NEA Scout）。这两项任务意义非凡，因为飞船将飞越低地球轨道完成科研目标。“纳米帆-D”和“光帆”都是三单元立方体卫星设计（三个立方体卫星）， 而“月球闪光灯”和“近地小行星侦察兵”则是六单元，质量是“纳米帆-D”和“光帆”的2倍，帆展面积是“纳米帆-D”和“光帆”的3倍。但“月球闪光灯”和“近地小行星侦察兵”仍然属于纳型卫星。由于大型太阳帆飞船项目被取消，现在看来，这两艘飞船中的一个将成为NASA的第一艘太阳帆飞船。

在宇宙的海洋中自由航行的时间似乎终于到了。人类正在忙于制造第一艘真正的太阳帆飞船，技术的进步提高了深空航行所需的性能和设计能力。