近日，NASA一顆面包大小的衛(wèi)星生成了世界上第一張883GHz頻段全球大氣冰云分布圖，883GHz是研究冰云及其對(duì)地球氣候影響的太赫茲頻段的重要頻率。IceCube是2017年5月部署在國際空間站的小型航天器，它是由美國VDI（Virginia Diodes Inc.）公司根據(jù)美國航天局創(chuàng)新項(xiàng)目要求開發(fā)的商用883GHz輻射計(jì)。它能夠測試在海拔3-9英里（5-15公里）之間的臨界大氣冰云特性。

NASA的科學(xué)家們率先使用太赫茲探測冰云，太赫茲頻段位于電磁波光譜的微波和紅外線之間。然而，在IceCube之前，這些儀器只在高空飛機(jī)上運(yùn)行。這意味著科學(xué)家只能在高空飛機(jī)飛行的區(qū)域收集數(shù)據(jù)。

“有了IceCube，科學(xué)家們現(xiàn)在可以以商業(yè)價(jià)格在太空中使用太赫茲輻射計(jì)系統(tǒng)，”位于馬里蘭州帶的NASA Goddard太空飛行中心的科學(xué)家兼IceCube首席研究員吳東（音譯）說。“更重要的是，它提供了地球全球冰云分布圖。”

NASA Goddard太空飛行中心的科學(xué)家兼IceCube首席研究員吳東（音譯）

探測大氣冰云需要廣泛的頻帶，其中，高空太赫茲傳感器尤為重要。這種波段填補(bǔ)了對(duì)流層中部和上部的一個(gè)重要頻率空白，冰云通常太不透明，無法讓紅外和可見傳感器穿透。它還揭示了其他微波波段無法清晰檢測到的微小冰粒的數(shù)據(jù)。

IceCube的冰云圖是這類分布圖中的全球第一張，它預(yù)示著未來利用亞毫米波技術(shù)對(duì)全球冰云進(jìn)行太空觀測的廣闊前景。吳東的團(tuán)隊(duì)利用NASA地球科學(xué)技術(shù)辦公室(Esto)的“地球科學(xué)技術(shù)(InVEST)空間驗(yàn)證計(jì)劃”和美國宇航局科學(xué)任務(wù)管理局的資金研發(fā)制造航天器。研究小組面臨的挑戰(zhàn)是確保太赫茲接收機(jī)足夠靈敏，能夠通過盡可能少的信號(hào)強(qiáng)度探測和測量大氣云層。

最終，NASA希望將這種類型的接收機(jī)加入到美國宇航局計(jì)劃的云霧生態(tài)系統(tǒng)(ACE)任務(wù)中的冰云成像輻射計(jì)中。根據(jù)美國家研究理事會(huì)建議，ACE將每天評(píng)估全球冰云的分布情況，這些冰云將影響到地球向空間發(fā)射紅外能量及其對(duì)太陽能量在廣大地區(qū)的反射和吸收。在IceCube之前，這個(gè)值是非常不確定的。

IceCube的儀器工程師Jared Lucey說：“這充分說明了我們的科學(xué)家正在進(jìn)行科學(xué)研究，這項(xiàng)任務(wù)主要目標(biāo)是為了證明技術(shù)的可行性。”他是戈達(dá)德和美國宇航局在弗吉尼亞的沃洛斯飛行設(shè)施中為數(shù)不多的幾個(gè)科學(xué)家和工程師之一，他們?cè)诙潭虄赡陜?nèi)就開發(fā)出了IceCube。“我們實(shí)現(xiàn)了我們的使命目標(biāo)，現(xiàn)在其他一切都是額外的成果，”他說。

IceCube的任務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者、Goddard的技術(shù)項(xiàng)目經(jīng)理Jaime Esper說，除了演示從太空中觀測到的太赫茲信號(hào)之外，團(tuán)隊(duì)還獲得了關(guān)于如何有效地開發(fā)衛(wèi)星任務(wù)、確定哪些系統(tǒng)是冗余的以及哪些測試需要放棄，因?yàn)槲覀兊馁Y金是有限的，時(shí)間是較短的，這些對(duì)我們來說也是至關(guān)重要的。

“這可不是一件容易的事，”IceCube的儀器系統(tǒng)負(fù)責(zé)人NegarEhsan說。“這是一個(gè)低預(yù)算項(xiàng)目”，要求團(tuán)隊(duì)在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)開發(fā)一個(gè)工程測試單元和一個(gè)航空樣機(jī)。盡管面臨這些挑戰(zhàn)，VDI還是按時(shí)地交付了883GHz的太赫茲輻射計(jì)。她說：“我們第一次在展示了太空中的883GHz測試數(shù)據(jù)，并證明了VDI提供的系統(tǒng)工作正常。”

研究小組使用了現(xiàn)成的商用組件，包括vdi的輻射計(jì)。這些組件來自多個(gè)商業(yè)供應(yīng)商，為達(dá)到最好的系統(tǒng)性能，每個(gè)組件均需要調(diào)試。研究小組不僅將輻射計(jì)集成到航天器上，還在Goddard和Wallops建造了航天器地面支持系統(tǒng)，并進(jìn)行了熱真空、振動(dòng)和天線測試。

“IceCube并不完美，”吳東承認(rèn)，他指的是輻射計(jì)數(shù)據(jù)中的噪聲或輕微誤差。“不過，我們可以得有用的測試數(shù)據(jù)。我們從IceCube這個(gè)衛(wèi)星項(xiàng)目中學(xué)到了很多經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，下次工程師們可以更快地研發(fā)建造它”。

“這是NASA的另一種任務(wù)模式，”吳繼續(xù)說。他說：“我們的主要目標(biāo)是顯示這項(xiàng)小任務(wù)是可以完成的。問題是，我們能不能利用一種低成本的衛(wèi)星，在政府-商業(yè)合作關(guān)系下開發(fā)出先進(jìn)的空間技術(shù)設(shè)備。我相信答案是肯定的“。

小型衛(wèi)星在NASA的探索、技術(shù)演示、科學(xué)研究和教學(xué)中發(fā)揮著越來越大的作用，包括：行星空間探索；地球觀測；地球基礎(chǔ)和空間科學(xué)；以及先進(jìn)的激光通信、衛(wèi)星間通信和自主移動(dòng)能力等前沿科學(xué)儀器。