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斯坦福大学和美国宇航局艾姆斯研究人员将便宜的芯片大小的卫星送入轨道

最近,一群105颗电脑芯片大小的微型卫星发射到地球轨道上,每颗成本不到100美元。发明这种芯片的斯坦福大学科学家扎克·曼彻斯特说,这种芯片为更便宜、更容易的太空探索铺平了道路。

十年前,还是康奈尔大学(Cornell University)博士生的扎克·曼彻斯特(Zac Manchester)设想建造芯片规模的卫星,可以一起研究地球或探索太空。6月3日,当美国宇航局艾姆斯研究中心宣布成功部署史上最大的芯片群时,曼彻斯特,现在斯坦福大学的助理教授,已经在展望这项技术的未来。

Zac Manchester holding the ChipSat device

扎克•曼切斯特(Zac Manchester)手里拿着一个芯片卫星(ChipSat),这是一款售价不到100美元的设备,旨在与一群类似的设备协同工作,完成目前需要昂贵的大型卫星才能完成的任务。(图片来源:洛杉矶·西塞罗)

“这就像是太空中的个人电脑革命,”曼彻斯特说,他去年加入了航空航天学院。“我们已经证明,大量廉价的微型卫星有一天可能完成现在由更大、更昂贵的卫星完成的任务,让几乎任何人都能负担得起把仪器或实验送入轨道的费用。”

曼彻斯特的研究小组于3月18日在近地轨道上部署了105颗芯片,并于次日探测到它们相互发送的信号,证明了它们作为一个群体进行沟通的能力,这是群体行动的先决条件。从那时起,研究人员一直在与美国宇航局合作,完成任务数据分析的第一阶段。

小的和便宜的

每个芯片都是一块电路板,比邮票稍大一些。每个芯片售价不到100美元,使用太阳能电池为基本系统供电:无线电、微控制器和传感器,使每个设备能够定位并与同类设备通信。曼彻斯特说,在未来,芯片可能包含为特定任务量身定制的电子设备。例如,它们可以用来研究天气模式、动物迁徙或其他陆地现象。太空旅行的应用可能包括绘制小行星或环绕其他行星运行的卫星的表面特征或内部组成。

“我想让太空探索变得足够简单、足够经济。”

扎克曼切斯特

航空航天学助理教授

曼切斯特说:“太空探索的最大成本是发射,我们正在努力创造能够执行有用任务的最小、最轻的卫星平台。”

这些芯片是专为绕地球轨道运行几天而设计的原型,然后在重返大气层时燃烧殆尽。但从这次实验中收集到的数据——有史以来最大的同时部署最小的工作卫星——帮助证实了曼彻斯特在卫星技术小型化方面迈出下一步的目标。

自从1957年人造地球卫星(Sputnik)发射以来,各国——以及后来的公司——竞相将军用和民用卫星送入轨道。然而,将一磅有效载荷送入太空需要1万美元,发射成本一直是进入太空的巨大障碍。但在1999年,斯坦福大学(Stanford)和加州理工州立大学(California Polytechnic State University)的研究人员定义并推广了立方体卫星,这是一种重量较轻的4英寸立方体,可以执行小规模的科学任务。立方体卫星与美国国家航空航天局(NASA)发展更小、更便宜的任务的目标完全一致,这一目标是让更多的研究人员有机会突破成本障碍,将实验送入太空。

成功的路径

2009年,在与康奈尔大学(Cornell university)教授梅森·佩克(Mason Peck)一起学习时,曼彻斯特设想了如何将卫星的电子本质设计成一种比立方体卫星更便宜、更容易制造的设备。2011年,他把自己的项目放在Kickstarter.com网站上众筹,很快就从315名贡献者那里筹集了7.5万美元,他最初称之为KickSat的项目诞生了。“我想让太空探索变得简单实惠”,曼彻斯特当时是这么说的。

Examples of the type of postage-stamp sized satellites that went into orbit.

进入轨道的邮票大小的卫星类型的例子。(图片来源:洛杉矶·西塞罗)

自从他来到斯坦福大学之前,通过在哈佛大学和美国宇航局艾姆斯实验室的研究来追求这一愿景。他有过失望。2014年,曼彻斯特的首个KickSat项目携带100颗芯片发射升空,但一个小故障导致实验卫星在发射前重新进入大气层并燃烧殆尽。

曼彻斯特大学和康奈尔大学、卡内基梅隆大学以及美国国家航空航天局艾姆斯的合作者们毫不气馁,为最近的任务重新设计了芯片。他们在一艘名为KickSat-2的立方体卫星母舰上装载了105颗芯片,这艘飞船于11月17日发射到国际空间站。几个月来,曼彻斯特一直在等待美国宇航局的绿灯,以便将Kick-Sat-2内的芯片部署到近地轨道。

那一刻终于到来了,部署命令从斯坦福校园后面60英尺的天线里发出。又过了焦虑的一天,曼彻斯特才得知灵敏的碟形天线已经探测到来自芯片的微弱信号,这意味着芯片是可以工作的。曼彻斯特大学与世界各地的合作者合作,追踪这些芯片传输数据的过程,直到它们在3月21日重返大气层并燃烧殆尽。

受到这一成功的鼓舞,曼彻斯特表示,他将继续努力,在不久的将来,世界各地的学生、爱好者和公民科学家可以像现在驾驶无人机一样,轻松地建造和发射自己的微型卫星任务。

KickSat项目已经从NASA和突破基金会以及Kickstarter上的315个个人投资者那里获得了资金。

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新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.stanford.edu/2019/06/03/chip-size-satellites-orbit-earth/