0
第八期 ,其他  2011年11月2日

揭开宇宙之谜

Photo : Nakasuka Shinichi今年在巴西的阿尔坎塔拉卫星发射基地将发射天文观测卫星Nano-JASMINE,这颗卫星将能精密测定整个天空约20万颗星球的准确位置。这是由国立天文台和东京大学、信州大学、京都大学共同开发的,重量仅为35公斤的超小型卫星。别看它体型小巧,却肩负着了不起的使命。它将立体地精密测量整个天空约100万颗星球的位置。准确地描绘星球的分布图,是掌握暗黑物质的分布与运动的前提,对解析宇宙的构造和历史有十分重要的意义。

22年前的1989年,欧洲宇宙机构(ESA)发射了相同目的的卫星依巴谷天体测量卫星(Hipparcos),重量为1.4吨。Nano-JASMINE的测量精度与此相差无几,重量却仅为其1/40,成本不到1/100,这样一个迷你卫星的实现也是前所未有的挑战。

搭载的观测装置由国立天文台研制,卫星本体由东京大学制造。虽说我们现在已经能够研制最尖端的科学卫星,可我们开始开发研制卫星不过是十年前的事。最初的卫星是边长10厘米,重1公斤的骰子形状的极小型卫星,即基于超小型卫星的国际统一规格研制的”立方体卫星”。这颗名叫”XI-IV”的卫星于2003年6月30日在俄罗斯的普列谢茨克航天中心发射,在距地面824千米的高空进入绕地球轨道。XI-IV是我们卫星开发的原点。

“超便宜”的卫星20111102(2).jpg研究室首次发射到轨道上的卫星。XI是未知物的探求者之意,IV是继第3代试验机后的第4代试验机之意。20111102(3).jpg要将所有装置收容进边长10厘米的盒子内真是需要耐心的细活。要将细细密密布满电子零件的基板毫无缝隙地插入而不挤到旁边的基板,零件的位置配置真是费尽了心思。作为动力源的太阳能电池由于没有羽翼,被贴在卫星的侧面。可由于卫星本身就小,能贴上去的面积十分有限,发电量只有平均1,1瓦。这必须保证能完成包含通信在内的所有作业。

搭载的常时工作的计算机采用了消耗电力极少的处理器,至于其性能,我们只能稍微降低标准了。通信机也是一样,尺寸和处理器一样,消耗电力极少。它是由神户的无线机器公司、西无线研究所特制的(这种通信机后来成为畅销品,广泛应用于日本的超小型卫星)。

由于缺乏经费,筹划过程中真是充满了艰辛。太阳能电池采用的不是砷化镓制的宇宙用品,而是单结晶硅制的通用品。零件大部分是从秋叶原或网上购买的。学生们将需要的东西写在研究室的黑板上,值班的学生就会做好笔记,每天骑着自行车奔走于秋叶原与东大之间。感谢东大绝佳的地理位置,可以用自行车往返于秋叶原之间。

实验设备当然不可能全部自备,于是只好往返于各地的实验装置,借其场地使用。真空实验是在东大别的研究室进行的,放射线实验是在核能研究所(现日本原子力研究开发机构)的高崎研究所和宇宙开发事业团(现宇宙航空研究开发机构,JAXA)进行的,热真空实验的电波实验是在东京都立航空工业高等专门学校的电波暗室进行的。

大家还决定将新开发的通信机放在与实际相近的环境中试行。在宇宙科学研究所的三陆大气球观测所(岩手县大船渡市)的协助下,通信机乘着气球升上40千米的高空,与相距500千米的东大地面局进行了长达一小时的通信实验。另外还进行了卫星运行的模拟实验,如向卫星发送指令、卫星数据向地面传输等,向正式发射一步一步靠近了。

核能研究所的放射线实验是请其他机构在做放射线实验时,安装在其实验台的旁边进行的,节约了实验经费。学生将卫星放在小型硬铝合金的盒子内手动操作。最终,通常卫星所需要的环境实验都基本实施了。

无法发射?!20111102(4).jpg然而,寻找发射机会的过程却极其艰难。这样的超小型卫星,一般被捆绑在主卫星的侧面,与火箭一起以背负式运输的形式发射。JAXA当时没有发射的计划,这就不得不向海外寻求援助。

研究开始的第二年,在夏威夷会议上,一个名叫OSSS的企业向我们摇起了橄榄枝。据说这是一个美国大学老师办的风险企业,当时正在为俄罗斯发射的火箭第聂伯号提供服务,所以可以让这颗超小型卫星同乘。于是赶紧奉上约300万的订金,再三请求一定让其捆绑发射。

随后,按照OSSS以及日本代理店的指示提供了卫星的信息,但是发射准备阶段应该进行的PDR(基本设计审查会议)会议的通知却迟迟没有消息,究竟何时发射更是不得而知。2002年初,正巧研究室一位来自孟加拉国的留学生提起以前曾在乌克兰待过的事,于是请他通过朋友打听了第聂伯号发射公司的事。

结果是出人意料的。这个发射公司表示与OSSS并没有签订向其提供发射服务的协议。也就是说,OSSS收集了资金但没达到预定的数额,没有签成发射协议。我们的钱打了水漂。这是我的错,过于信任这个所谓的合同。这才反应过来,合同里应该注明”发射未实现时全额返还订金”这一条。这对于本来就经费不足的我们真是个惨痛的教训,我们为这一课付出了高昂的学费。

后来,我们也曾得到美国有发射机会的信息,于是将卫星带到美国,但又是发射被取消。这颗小卫星迟迟未能实现发射。转眼间到了2002年秋,再这样拖延下去的话参与开发的学生们都要毕业了。这时XI-IV也完成了。

时间刻不容缓。我们只能是去碰运气,向德国和俄罗斯合资设立的火箭发射公司Eurockot写了一封信。信里写道,”我们只有250万日元的资金,但请求发射一个1公斤的卫星。”没想到我们收到了回信:”请来参加12月莫斯科的火箭PDR会议。若情况允许,可以考虑让其一同发射。”于是,和同时期参与”立方体卫星”开发的东工大一起准备,12月奔赴零下20度的莫斯科。

率领东工大小组的松永三郎教授本来预计同行的,当天夜里发来传真,内容为签证有问题无法同行了。第二天在制造火箭公司前的浦罗顿宾馆召开了火箭PDR会议。我们竭尽全力做出说明后,对方立即表示”这在教育上是非常有益的一件事,在技术上搭载也没有问题”,当场就敲定了东大、东工大的”立方体卫星”的搭载。对俄方的当机立断和宽广胸怀,我们深受感动。20111102(5).jpg后来的进度很快。2003年1月签订了发射合同,6月带着7个学生,将卫星装在行李箱里出发了。同行的还有东工大的小组。从莫斯科出发,在火车卧铺上摇晃了18个小时,终于到达发射基地。在严禁拍摄、戒备森严的发射场地做完最终检查,并和Eurockot公司的技术人员一起完成了搭载之前的准备工作。亲眼见识到俄罗斯的宇宙开发,真是一次难得的经验。

XI-IV,飞向宇宙我们暂时返回日本,等发射日程临近时将两名学生送到现场的监控室,观测卫星升空。本来我们想请这个公司将发射情况用卫星转播,我们在日本收看,但最终没能实现。卫星的开发花费了300万日元,发射花费了250万日元,转播竟然要花费500万日元。我们最终决定由在现场的学生在网上发信息来了解发射情况。终于迎来了发射的这一天。

日本时间6月30日23时15分,载着卫星XI-IV的火箭终于冲向太空。0时46分与火箭分离。学生们聚在大学的研究室里,等待XI-IV经过日本上空时发回的第一个电波。

最先收到的是一个海外的业余无线爱好者的简讯,称收到东工大卫星的电波。实际上东大、东工大都用业余无线波段与卫星通信,公开了其周波数,因此全世界的业余无线爱好者都在关注。随后东工大收到卫星电波的报告不断传来,而东大的报告却迟迟未到,真令人着急。20111102(6).jpg凌晨4时36分,研究室的电话响了。拿起听筒后,只听到一声”收到了!”,原来是在电气通信大学的帮助下,该大学的菅平宇宙电波观测所的学生发来了捷报。随后卫星通过东京上空。从充满杂音的接收机里,我们确确实实听到了XI-IV发来的信号。许多学生不禁泪流满面,紧紧地彼此握手。然后是干杯。多年的辛劳终于得到了回报,终于迎来了这个最美的瞬间。

运营卫星首先要做的是确定轨道。分离后监测宇宙物体的北美航空宇宙防卫司令部(NORAD)公布了8个轨道数据,没过几天,全世界的无线业余爱好者之间关于哪个轨道属于哪颗卫星展开了热烈的讨论。当然,我们也根据电波传送到地面局的时机和多普勒位移锁定了轨道。虽然没能确定实测值与目测值完全一致的轨道,但我们认为这是由于发报机的发报器受温度影响,周波数发生细微变化的结果。几天之后,XI-IV的轨道被锁定了。

20111102(7).jpg尽管是在真空、放射线很强、温差变化很大的恶劣环境中,所幸机器运转一切正常。搭载的计算机在发射后的两个月内9次重启,实在令人担心。但不是放射线的问题,而是软件出了小故障。还好发生得不是那么频繁,基本上没有影响到运行,大约两个月后,完成了包括通信实验在内的全部任务。

接下来是拍摄地球的照片了。由于卫星没有状态控制,不是恰好面对地球时就无法拍摄。另外由于向地面传输的通信速度较慢,每秒1200比特,也没法使用以数量取胜的拍摄和送信方式。于是,我们在不同时间拍摄下了7张照片,并根据黑色部分的比例和平均亮度等画像特征标注了记号。将这些数据信息向地面传输后,优先下载被认定为比较优良的画像。在下载时,首先下载粗轮廓,若判断图像有价值时,再下载精度高的画像。就这样终于得到了从宇宙拍摄的地球画像。

我们希望更多的人都能了解”立方体卫星”,于是策划了用邮件传送照片的活动,将照片发给想要的人们。后来每次发射卫星时都会追加征集,现在已有3,000多人注册。注册的人们还会发邮件来鼓励和声援,这简直是出乎意料的反响。尤其是女孩子们发来的”请多加油”的邮件,更是在学生中大大鼓舞了士气。现在的宇宙开发还缺乏广泛回报社会的形式。我想这次的尝试或许提示了一种形式。

学生们组成小队连日轮流进行卫星的运用。卫星每天大致都是在同一时刻经过日本上空。凌晨4时左右1~2次,下午4时左右1~2次,平均起来每天大约3次,总运用时间约有40分钟。最初每次参加运用的学生有4~5名,一年以后逐渐减至每次1名。

另外,通过众多无线业余爱好者的努力,接收到卫星传输过来的数据后,用简讯传给东京大学地面局。随后又开发了软件,能自动将向地面传输的数据传送给东大地面局。当东京大学向卫星发出”向地面传输数据”的命令后,各地的业余无线爱好者就能接收到卫星送来的数据,并且这些数据会立即汇聚到东大。即使东大未能接收到数据,日本的任何一个地方接收到的话,卫星就没必要再次发送数据了。由于东京的杂音多,接收电波受到干扰比较大,很多时候无法解读。这就依靠其他地方的无线业余爱好者帮助了。这样运用的效率大大提高了。

然而,后来我们研究室发射的卫星增多后,我们很难再全部靠自己运用了。2008年起,包括XI-IV的运用在内,所有卫星的运用全部交给了无线业余爱好者。XI-IV自发射后历经8年,现在仍运行良好,持续拍摄地球的照片。

日本的”立方体卫星”如雨后春笋日本由大学研制开发的卫星首次发射太空是在2002年12月。在宇宙科学研究所长期从事卫星开发工作的千叶工业大学的林友直老师等,将鲸鱼观测卫星用H2A火箭送上了太空。但是卫星重量达50 公斤,开发费用高达8,000万日元,这对一个普通的研究室来说是极其困难的。

1999年”立方体卫星”的国际工程开始后,研究领域一下子拓宽了很多。2003年6月,东京大学和东京工业大学的发射成功,完成了预期的任务。这个由学生们用秋叶原的零件制作的卫星,曾被宇宙开发有关人员揶揄为”反正不可能成功”,如今却在全日本迅速刮起了一阵超小型卫星热。大学和高专制作的卫星已达到15枚,现在仍然有大学在继续开发,数量超过10枚。工业大学也大有将开发卫星设为一门课程的趋势。

“立方体卫星”原本是大学间发起的项目,主要目的是用于教学。给学生提供制作卫星的机会,并在短时间内将宇宙开发的过程都体验一遍。让他们通过这个过程切身体会什么是重要的,将设计开发的作品放在现场环境中实验,得到反馈,并通过项目小组的运营实践学习到如何经营日程安排、成本、人力耗费等。然而现在的”立方体卫星”早已超越了当初的目标,开始向实用发起挑战了。如东京工业大学的CUTE-1.7+APD实现了耗能低的伽马线爆炸的全球分布观测等,面向宇宙科学的应用也取得瞩目的成就。东北大学发射的SPIRIT-SAT是一颗观测大气上空雷发光现象的科学卫星。东大的Nano-JASMINE据说能观测整个太空的星球位置,俨然担负起了科学的使命。另外22所大学共同开发的UNITEC-1则是首个进入深宇宙而不是环地球绕行的卫星。

然而遗憾的是,并非全部都成功了。SPIRIT-SAT在卫星的基本控制上成功了,但没能实现雷发光现象的观测,目前仍在开发后继卫星。UNITEC-1在2010年与金星探测机”黎明”一起发射升空,并成功接收了20万千米之外的电波信号,但这之后信号就断了。不过能够冒着失败的风险挑战大胆的任务,也可以说是超小型卫星的优点。动手制作卫星可以说触动了喜爱动手的日本人的心弦。超小型卫星并不是一时的热潮,而是深深扎根于日本的大学。今后各个大学将发挥各自的优势,取长补短进行共同开发,我们期待着卫星本体和任务的共同研究,并加速发展宇宙开发事业。

20111102(8).JPG第二枚卫星飞向宇宙我们预先就为XI-IV做好了备用机,型号是一模一样的,以备发射前一旦出现什么问题,或者在轨道上出现异常时,可以在地面进行试验查明原因。发射后计算机发生的不可思议的重启现象也是通过这个备用机查明原因的。

不过鉴于后来XI-IV飞行一直保持良好状态,备用机就没那么必要了。当我们为它寻找发射机会时,出乎意料地得到一个机会。2003年与XI-IV同时发射了”立方体卫星”的加拿大多伦多大学太空飞行研究所有一个与俄罗斯莫斯科火箭一同发射的机会,可惜卫星来不及开发了,于是将这个机会有偿转让给东京大学。

欧洲学生共同制作的教育用卫星SSETI Express需要安装一个分离装置,用来放出多个”立方体卫星”,太空飞行研究所接受了安装分离装置这一任务,而作为回报,获得了这个发射机会。也就是说,火箭首先在轨道上与SSETI Express分离,然后SSETI Express分离出”立方体卫星”。说实话,这个分离装置其实是我们设计的,在与多伦多大学共同研究时公开展示过。这是一种不可思议的缘分。在我们自己设计的分离装置上,搭载着我们自己的卫星。合同涉及到卫星主体的开发者ESA,发射火箭的莫斯科公司,持有发射机会的太空飞行研究所,以及东京大学。合同交涉十分复杂,幸亏太空飞行研究所的管理者是我过去在斯坦福大学时的好朋友――印度人Freddy Pranajaya。他帮我们与另外三方进行了合同交涉,这使我深刻感受到朋友的可贵。就这样,备用机XI-V于2005年夏,和挪威、德国的”立方体卫星”一起升上了太空。

好不容易能够有一个发射机会,当然希望能搭载新的任务机。正想着什么任务好呢,恰逢JAXA研究开发本部电源组的川北史郎告诉我们,JAXA开发了耐放射线的新太阳能电池,正在寻找宇宙实验的机会。他提议不如让XI-V搭载上这种电池实验一回,于是决定进行共同研究。

在卫星的侧面贴着的太阳能电池中,其中一面是铜、铟、镓、硒的化合物半导体制作的新开发的CIGS太阳能电池;三面是作为做实验的交换,得来的高价宇宙用砷化镓半导体太阳能电池;剩下的两面是通用品硅太阳能电池。也就是说同时混用了三种电池,确实是一种奇妙的组合。此外,增加了提高照相机摄像性能和预测连续摄像时状态变化等任务。

XI-V是由SSETI-Express发射,因此各种实验都是在开发Express的荷兰欧洲宇宙技术研究中心进行的。2004年,首先由两名学生带了XI-V的飞行模型去,确认了卫星能够放入分离器,并能够分离。

然后将卫星暂时带回来,2005年夏又由别的学生将完成的XI-V带过去搭载。之后所有的作业都由中心的技术人员完成,于是我们只好一边祈祷千万别出错,一边从头到尾检查好操作说明。

孤注一掷原定7月的发射,由于火箭发射方的情况延迟了三个月,定在10月27日。可是就在发射前几天又发生了意外的事,欧洲宇宙技术研究中心打来电话说XI-V分离器的盖子出了问题。盖子是用钓鱼线钩住关上的,通过电池通电将镍铬合金的钓鱼线烧断(打开盖子释放卫星),这一作业需要消耗电池电力,通常情况下几秒就能切断的,现在却要花一分钟。就这样送上太空,还是这次就此作罢,我们被迫在这其中做出选择。

想要百分之百的成功,自然是这次放弃更为稳妥。但错过了这次机会又不知要等到何年何月,何况再次从文件的着手到接口调整各种各样的作业也实在令人望而却步。在与负责工程经理、研究生的船濑龙(现在JAXA工作)激烈争论后,我们得出结论:即使钓鱼线没有被烧断,暴露在宇宙空间强烈的宇宙线中,迟早也会断。不如我们就赌这个可能性。我们对发射放出了通行信号。并决定暂时不告诉其他学生这件事,一边在心里默默祈祷,一边迎来了发射这一天。

2005年10月27日,船濑和我都对内心的担忧缄口不言,火箭和去年一样在俄罗斯的发射现场,载着SSETI- Express和XI-V发射了。当天我还有别的卫星实验要做,不在现场。但为了赶上卫星经过东京上空的时间,提前回到大学,和学生们一起等待XI-V发回来的电波。下午9点40分,进入东京上空了,但是没有收到来自XI-V的信号。果然是钓鱼线没被切断吧,一阵难以言表的不安涌上我和船濑的心头。如果真是那样,我们只好被动地等待钓鱼线自己断的那一天了。我们几乎已经做好了这样的思想准备,80分钟后第二周的运行开始了。这一次很完美地接收到了信号!XI-V安全分离了,飞向了宇宙。

为什么第一次没有收到信号,而第二次收到了,原因至今都不明。最有可能的一种假设就是,第一次钓鱼线基本被切断,但还没有完全断,在第二次开始之前自然切断,分离装置的盖打开了,卫星被释放出来。

XI-V虽然难产,但后来轨道也确认了,按计划有条不紊地执行着它的任务。特别是新型太阳能电池CIGS轨道上的实验进行得很顺利,取得了世界上首个长时间发电量的连续数据。不断取得的傲人成果,令JAXA的川北也很振奋。5年后的2010年秋,在对三种类型的太阳能电池的发电量与发射时进行测量比较时发现,与其他两种太阳能电池发电效率低下相比,CIGS较好地维持着当初的性能,在耐放射性这一方面也要优越得多。我想,开发时间短、成本低的超小型卫星的确是最直接最便于检验新开发技术的宇宙实践手段。

向实用化迈进完成XI-V的2002年,在”立方体卫星”开发获得的知识和经验基础上,开发更加具有实用性的地球观测功能的超小型卫星的想法愈加强烈起来了。于是建立了一个新的卫星开发工程。这个名为PRISM的工程,目的就是看由大学开发出的超小型卫星能有多高的地表分辨功能。目标是30米。大、中型卫星一般采用金属的反射光学系统,但这次采用的是新开发出的使用软材料制成的轻便袖珍型折射式光学系统。

其中最重要的技术是像望远镜一样伸出镜头。这是用一种叫做超弹性素材十分容易弯曲的材料和硬框架组合而成的。过去的镜头通常需要中间支架,容易挡住视野。而这次开发出的镜头能很好地保证视野的开阔。最近也已经取得了专利。

为了达成最主要的任务,不仅需要高性能的光学系统,还需要开发很多新的技术。如根据磁力改变姿势的磁性装置、使用太阳能传感器的高精度控制姿势、实现大通信容量的新调制方式发报机,以及具备多个CPU的电子计算机等等。JAXA在公开招标时,H2A的背负式卫星被选中,并通过了号称世界最严格的日本安全审查。终于到了和日本的火箭一起发射的时候。

2009年1月,PRISM被送上了轨道。分离后,顺利地开始运用,控制姿势并停止旋转运动,伸出了镜头。调整好光学系统,10周后开始传送云层和地表的画像。画像解析的结果表明,30米的地表分辨能力被证实了。

这次,我们挑战了第一个真正意义上的科学卫星――天文观测卫星Nano-JASMINE的开发。为了能准确测量8等星级的暗星,我们需要在8秒内将卫星的姿势变换控制在0.7秒角(一度的约1/5000)以内,这需要极高的技术。飞行模型已经完成,现在正在向最终的发射做最后的调整。以教育为目的的”立方体卫星”,现在已经向世界最尖端的科技进军了。

人人都能利用宇宙的时代2010年,日本政府将我们提议的”导入日本发源的’适度信赖性工学’的构筑超小型卫星新宇宙开发利用范式”这一课题纳入了最尖端研究开发的支援项目,并决定在今后的5年内投入41个亿。”适度信赖性工学”正如题所示,既不过度也不会不足,是保证适度信赖的工学。超小型卫星最大的优点在于开发的速度和成本。不像大中型卫星那样需要严密的设计和周详的测试。一边发挥”成本低速度快”的优势,一边要保证适度的信赖,我们一直在考虑要做到这样最需要的是什么。在此之上,我们还利用大学发明的超小型卫星的核心技术,进行人人都能利用的超小型卫星机器的积累。另外我们还在考虑将超小型卫星用的低成本实验方法和开发程序与大家共享。今后,这个方案包括有5架超小型卫星的开发和应用计划。最初制作的是5米的高分辨能力的地球观测卫星。我们将观测数据公布,使企业和大学也能自由利用。而最终目标是,使全日本的大学和中小企业成立一个超小型卫星共同体。从此不再是研究人员各干各的,而是学校、中小企业、地域社会共同开发超小型卫星,共同开发出新的用途。这样卫星的利用面就大大拓宽了,在超小型卫星独有的用途不断诞生之时,要牢记将其定位在为市民们服务的卫星,并在宇宙开发中扎下根来。

(译自《日经》2011年9月号)[2011年9月]


Managemented by 佐口尚志

返回顶部