卫星进入“小时代”

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  提起人造卫星,你可能想到的是个庞然大物。不过,得益于技术的发展,近些年来,人们已研制成功可以提在手上的微型卫星。这些卫星每个大概只有几千克重,一般呈立方体,边长不超过1米。它们能承载像传感器、摄像头之类的部件。它们通常是用火箭发射到地球的低轨道,在那里呆满数个月之后,就以螺旋运动的形式一头栽进地球的大气层,并烧毁。
  制造微型卫星不需要非常高端的工艺,零部件都是现成的,只要合适地组装起来即可。微型卫星的出现,为那些平常不太可能参与太空探索的人群——尤其是大中学生——提供了便利。前些年,国际上举行过多次微型卫星设计比赛,参加者都是大中学生,获奖的作品享受免费搭载各国火箭升入太空的待遇。这类比赛,有一天说不定你也会去参加。
  微型卫星有引擎就好了
  遗憾的是,目前研制的微型卫星都没有引擎(或推进系统)。火箭把它们投放到什么轨道,它们就老老实实呆在那儿,无法变轨,无法在太空中优哉游哉,进退自如。它们还不能参与科学上最前沿的工作,只被人们视作太空玩具。
  但如果微型卫星能配上引擎,就能为我们做很多事情,有些事情甚至是大型人造卫星都无法办到的。比方说,你现在每到一地旅行,都要去蹭免费的Wi-Fi。这是因为目前的Wi-Fi信号不是通过卫星来发射的,每一处的Wi-Fi覆盖面积非常有限。要在全球铺设像卫星电话一样的“卫星Wi-Fi网”,需要发射成百上千颗人造卫星,其发射费用高昂得让人望而却步。但是,假如研制出自带推进系统的微型卫星,因为它们体积小、重量轻,我们就可以用火箭一次性地把上千颗微型卫星发射到太空,“倾卸”到太空某个轨道上,然后利用它们的推进器,把它们分散到合适的地点,组成一张环绕地球的微型卫星网。这个费用是我们能承受得起的。这样一来,Wi-Fi就可覆盖全球,你在任何地方都能用上免费的Wi-Fi了。
  为什么微型卫星没有引擎呢?说起来,原因就在于“小”——即使今天最先进的推进器,也无法做得小到微型卫星那样的尺寸。但是,科学家已开始着手克服这道难关。
  两种新型推进器
  目前,世界上有2个团队正在为微型卫星研制推进系统。一个是美国麻省理工的团队。他们用一种非同寻常的材料来推动微型卫星。这种材料是由单一的带正电或负电的离子组成的,叫“离子液体”。它的工作原理是:一个蓄着离子液体的容器中,浸泡着一块多孔的金属薄片。薄片上的小孔是扎出来的,孔周围形成小突起,孔就在突起的顶端。而我们知道,电荷喜欢聚集在金属表面有尖刺的地方(比如给一根针带上电,电荷就喜欢集中在针尖上,针尖附近的电场是最强的),所以小突起上聚集了很多电荷。当对其施加一个小小电场之后,它们就变作一个个小锥体,从金属表面鼓出来。这就把电场放大了,强到足够把带电离子从锥孔中以稳定束流的形式喷射出来,从而给微型卫星一个反向的推力。
  这个过程是可以持续的。当离子发射出去后,新的离子液体又会自动被吸附到金属片上。就像一棵树,水分从树叶上被蒸发之后,树根又会把水分吸进来。结果是,当微型卫星被施加电场之后,每个面都可以喷射出500~5000束束流;而束流的喷射强度则由施加的电场来控制,电场起到节流阀的作用。只要有选择性地开(或闭)某一个或几个面上的电场,就可以操纵微型卫星朝不同的方向运动。
  计算表明,只要8克的离子液体,就可以克服太空重力,推进一颗2千克的微型卫星飞行100千米远的路程。该团队计划在2014年的实物发射中测试这一计算结果。他们的最终目标是,派遣这样一颗微型卫星到某小行星上采集一勺尘埃回来。
  而美国密歇根大学的另一团队采用的是等离子推进器:中性的原子或分子在推进器腔中被电子枪击中后,电离成电子和正离子。若在其尾部加两块带孔的正负极板,带负电的电子将被正极板吸收,正离子则穿过正极板被电场加速,加速后又通过负极板上的孔眼喷射出去,从而给微型卫星一个反向的推力。目前使用的中性原子是氙,未来还可以考虑用水,这样在太空中加起“油”来更容易。
  该团队设计的微型卫星,计划2014年搭载NASA的火箭进行发射。他们希望他们的微型卫星有一天能飞到土卫二和木卫二上去,因为这两颗卫星都有水——甚至生命。
  有了自带引擎的微型卫星,我们就迎来了太空探险的“小时代”。
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