可能飞往另一个太阳系的小型卫星

在波士顿地区一家咖啡馆的采访中，Zac Manchester为没有带上他最新卫星的副本而道歉——这是许多将于今年秋季在国际空间站任务中发射的复制品之一。“别担心，”斯坦福大学航空航天学教授Manchester说，“我会把它装在信封里寄给你。”

即使是一个小小的信封也足够了，因为Manchester已经制造出了迄今为止最小的卫星。它被称为Sprite，重仅4克，尺寸小于2平方英寸——大约相当于一个标准糖包的大小和重量。

Manchester说，这种由现成组件组装而成，成本约为25美元的小型航天器，在未来的太空探索中可能发挥重要作用。它们甚至可能代表着我们将人造设备送往太阳以外的恒星的最佳机会。即将进行的国际空间站任务应该能让他看到我们已经有多接近了。

缓慢的开始

Manchester于2009年开始从事该项目，当时他刚开始在康奈尔大学攻读研究生，这是在他导师Mason Peck和研究生Justin Atchison的早期工作基础上进行的。到2011年初，他已经生产出了一些Sprite的初步版本。当当年一个航天飞机航班出现临时空位时，他和Peck设法将他们的实验送到了国际空间站。宇航员在一次太空行走中将其中三个设备安装在了空间站的外部。三年后，所有设备仍然正常工作，证明了电子设备能够承受严酷的太空环境。

Manchester的Sprites后来搭载在拉脱维亚-德国Venta 1卫星和意大利-德国Max Valier卫星的船体上，这两颗卫星于2017年6月发射到近地轨道。Sprites至今仍附着在它们的宿主卫星上，已经证明了它们能够利用太阳能并成功地与地面站进行通信。

下一个重大挑战是让Sprites在太空中自由飞行，这样它们就可以相互以及与地面指挥站进行通信。第一次尝试是在2014年4月，当时约120颗Sprites搭载在一颗鞋盒大小的卫星KickSat-1上发射——之所以叫KickSat-1，是因为Manchester通过KickStarter众筹活动为该任务融资。

但是，由于NASA要求清除区域以供俄罗斯联盟号发射，Sprites的释放不得不推迟两周多。在那次延误之后，KickSat-1由于辐射暴露可能导致的电气问题未能成功释放其Sprites。结果，整个航天器在没有释放Sprites的情况下在大气再入时烧毁了。

迫在眉睫的发射

现在的希望寄托在KickSat-2上，另一艘鞋盒大小的航天器，将于11月从弗吉尼亚州的NASA沃洛普斯飞行中心发射。Manchester花了四年多的时间才再次尝试，原因是在获得联邦通信委员会（FCC）许可方面遇到了困难，而该许可对于与美国境内的地面设施进行通信是必需的。FCC还担心轨道碎片以及探测微型航天器的能力，这些航天器难以跟踪。

Manchester说：“这对整个小型卫星研究社区来说一直是个问题。”他通过将任务的责任移交给NASA埃姆斯研究中心（他以前在那里工作过）来规避了这个问题。

一旦KickSat-2进入预定轨道，Manchester和他的团队就可以从地面发出指令，将其约100颗Sprites从一个旋转容器中释放出来，使它们能够自然地扩散到太空。他说：“它们将飞行几天到几周，最多，然后就会烧毁，这是一个寿命很短的实验。”

该任务的主要目标是通过一种称为网状网络的方法来建立微型卫星之间的通信，该方法涉及将消息传递给附近的卫星，以便信息最终传播到所有Sprites。虽然这是地球上的一种标准技术，但在太空中从未实现过。

次要目标将是测试Sprites的定位和导航能力，例如通过发送无线电信号并测量传输时间来确定单个卫星之间的距离。Manchester说：“所有这些步骤都是实现大规模航天器群集体行动的基石。”

未来已来

尽管KickSat-2旨在成为一项技术演示项目，但Manchester也渴望开始进行实际科学研究。低成本、一次性飞行物体的集群可以执行单个航天器无法独立完成的任务。

他已经与哈佛大学天文学家Blakesley Burkhart合作，制定了一个部署一个独立的微型卫星集群来监测低频无线电波段天空的计划。Burkhart解释说，这些观测无法从地面进行，因为地球的电离层会干扰这些频率。Manchester估计，这些无线电波的波长也非常长，为几十米到几百米，因此观测可能需要一个几公里宽的望远镜。如果研究人员能够克服一些小问题，由Sprites组成的阵列将能够以低得多的成本完成巨型望远镜的工作。Burkhart说：“这确实是射电天文学的最后疆域。”

Sprites也是另一个雄心勃勃的项目“突破摄星”（Breakthrough Starshot）的关键。该项目旨在大约20年后向4.3光年外的半人马座阿尔法星系发射一支微型探测器。Manchester指出，这些Sprites很可能配备比传统相机小10万倍的超轻量级无透镜相机，“因为一切都在芯片上”。

他已经期待着一张照片，这张照片将在他的卫星以光速的20%的速度飞驰而过时拍摄：一张名为比邻星b的行星的快照。他脑海中的画面类似于1990年旅行者1号探测器离开太阳系时拍摄的著名的地球“暗淡蓝点”照片。

Manchester说：“我希望在几十年后，我们能得到一张这样的照片，不是回望地球，而是望向一个新的地球。”

[本文最初以“Sprite-ly Spacecraft”为题刊登在印刷版上]