为了展示卫星建设和运行的新范例,LLNL的研究人员一直在为一种名为CubeSats的纳米卫星开发新的仪器和操作原理。其技术的起源追溯到创造NIF(世界上最大的激光系统)的光学专业知识,第一项工作集中在需要可见波长望远镜的任务上。

被称为MiniCarb的最新CubeSat是LLNL和美国宇航局戈达德太空飞行中心之间的合作项目,将安装大气监测仪器,代替LLNL早期CubeSats使用的望远镜。

NIF使人们能够在实验室实现太阳核心和深空的极端条件。整个装置由超过7,500米大小的光学元件和26,000个较小的光学元件构成。这些光学元件的设计和制造背后的独创性使NIF能够实现超过七年的可靠且可重复运行。

图1 工程师们正在准备最新的CubeSat,名为MiniCarb

图2 大型综合测量望远镜(LSST)设计紧凑,但重达350吨。 其可移动结构,包括相机在内,重达300吨。

这些专业知识对大型综合观测望远镜(Large Synoptic Survey Telescope,LSST)的设计发挥了核心作用,该观测站目前正在智利安第斯山脉的山顶建造,并将于2023年投入运行。由美国能源部科学办公室(DOE Office of Science)部分资助,LSST将在空间附近搜寻致命的、有可能撞击地球的形体并探索深空,希望揭开暗物质和暗能量的奥秘。

为了LSST快速扫描南半球,望远镜必须尽可能紧凑和轻便,但同时要求尺寸足够大,以收集从宇宙远处传来的最微弱的光线。退休的利弗莫尔物理学家Lynn Seppala采用了一种创新方法,将其三个巨大的镜子中的两个同心地组合成单一的整体表面,外环为主镜,内环为第三镜。

图3 LLST主镜和第三镜,M1M3单块是一个双光学表面,它结合了LSST的主镜(M1,8.4米直径)和三级镜(M3,5.0米直径)。

在LSST中使用双反射镜整体结构激发了利弗莫尔工程师Vincent Riot和BrianBauman寻求纳米卫星望远镜的新颖设计形式。领导LSST的相机开发光学设计师Bauman提出了一种概念,通过这种概念望远镜可以构建成一个坚实,统一的玻璃结构。Riot认识到简化设计不仅仅节省了成本,减少了复杂性和重量。这也导致减少了一组镜支撑和伴随的对准结构,进一步减少了潜在的故障源。

Riot发现,单片设计确实具有许多与纳米卫星设计和开发新范例兼容的特征。由于它们的体积很小,CubeSats可以在一年或两年或更少的时间内以几百万美元或更少的价格建造,而不需要耗资数亿美元,需要花费很多年建造的大型卫星。CubeSats很小,可以利用大型火箭就可以发射。这大大降低了将CubeSats送入轨道的成本。

图4 传统设计卫星望远镜(左)的光学分离,使用单片设计(右)允许望远镜的光学集成。

Riot指出,并不是所有的任务都能被缩小到CubeSat的尺寸。但是对于那些能缩小的部分将具有其他重要的优势。

使用一组较小的卫星做同样的工作,除了生产时更便宜、更快速外,还能分散风险,具备通常所说的“恢复力”。也就是说,无论是在发射过程中还是在轨道上,如果一个CubeSat从几十个星座失败,对任务整体性能的影响可能不会那么明显。在灾难性失败的情况下,建造一个替代物的成本和时间远远小于重新建造一整个巨大的、一次性卫星。

与单个大卫星相比,一组立方体也能提供改进的空间或时间采样。例如,一组立方体卫星可以同时测量地球表面周围的空间,这是一颗卫星在物理上无法单独完成的。

纳米卫星是一种发射质量为10公斤或更少(±22磅)的卫星。CubeSats的名字从他们的模块化设计得到,基于边长为10厘米的单元立方体。

由LDRD计划资助的 STARE CubeSats项目是与国家侦察办公室(NRO)、海军研究生院(NPS)、波音合作开发的,德克萨斯A&M大学帮助跟踪空间碎片。LLNL建造了有效载荷,每个8.5厘米宽的望远镜都有一个固定在无限远处的焦距。望远镜的重量不到一公斤,在安装到LLNL的bus后,每个立方体重量约为四公斤。

      虽然STARE CubeSats任务从未付诸实施,但光学技术的发展却引起了美国政府几个赞助者的强烈关注。第三代LLNL的CubeSat由De Vries领导的小组开发,于2018年1月用极地卫星运载火箭从印度发射。LLNL再次建造了望远镜,使用了最新的整体望远镜设计,并由一个工业合作伙伴提供了bus。这颗卫星在地面和空间成像出色,将单片望远镜的技术成熟度从6提高到8。

对于同样是LDRD项目的MiniCarb来说,LLNL扮演了一个新的领导角色。它的CubeSat团队与NRO和NPS合作,开发了CubeSat的下一代bus,旨在满足标准化需求并允许组件之间更容易互换。

图5.一张由LLNL整体CubeSat望远镜拍摄的意大利罗马的地球凝视图像。拍摄时间为今年2月11日,拍摄高度在海拔566公里处。图中红色圈起来的部分为罗马竞技场。

这次LLNL不是为MiniCarb建造有效载荷,而是建成了由太阳能电池板、无线电、GPS和天线、姿态控制、电池和电力系统、指挥和数据处理系统以及支撑一切的框架组成的bus。NASA随后设计并建造了有效载荷。

5月8日,NASA和LLNL的一个团队在CubeSat安装了有效载荷,一个激光外差辐射计,用于测量大气中的二氧化碳、甲烷和水蒸气。在接下来的几周内,团队将完成组装,并执行一系列的结构和功能测试。然后,MiniCarb CubeSat将被整合到其运载火箭中,为进入轨道做准备。

近十年来,NIF一直致力于通过探索科学实验来加深我们对恒星和行星的理解,因此,它以其他方式与太空形成了联系,这一点也就不足为奇了。通过CubeSats和MiniCarb项目,NIF技术正以全新的方式将LLNL发射到太空中。

来源: https://lasers.llnl.gov/news/science-technology/2018/june