Data waves
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培训下一代太空工程师

SPACE HAUC, UMass Lowell's student-designed-and-built nanosatellite, orbiting Earth.
马萨诸塞大学洛厄尔分校的学生设计和建造的纳米卫星 Space Hauc 绕地运行。(艺术描述)

太空行业正在经历重大运营变化,诸如 SpaceX、Blue Origin 和 Virgin Orbit 之类的新晋公司旨在利用广泛的市场和雄心勃勃的项目。这样的结果导致商业领域爆炸式增长,使得进入太空的方式比以往任何时候都更容易、更便宜。预计到本世纪末1,商业太空将成为万亿美元的行业。在低地球轨道中,数千颗卫星提供有价值的数据来管理环境,使与所有人均可通信,并为改善全球人生活的新应用带来前景。

但有两个问题迫在眉睫。未来能满足明天太空行业的新兴需求的数千名工程师、技术人员和科学家将从何而来?我们如何才能最好地激励、训练和准备好下一代人才,以应对未来的挑战?

NASA 的 CubeSat 发射计划

根据 2020 年政府问责局 (GAO) 的一份报告,NASA、其承包商和商业航天初创公司“面临着巨大的劳动力挑战,导致他们很难以具有成本效益且及时的方式交付项目”。审查发现,全国各地缺乏科学、技术和工程学科的熟练工人来推动当前和未来的项目。

A stack of three cubes of Cubesat
三个立方体堆叠

为了帮助挽回局势,NASA 开发了本科生仪器项目 (USIP),这是个独特的多年计划,让本科生参与太空项目。获得认可的教育机构的学生可以通过该计划获得飞行硬件实践开发经验,并获得设计、建造和运营研究卫星的宝贵技能。

不久之前,所有的卫星设计都是从一张白纸开始的,并且没有标准。然后,大约 20 年前,一个新概念诞生了:模块化。CubeSat 由标准化的立方体块构成,如同乐高积木。立方体只是小卫星的建筑结构。根据特定的任务要求,立方体内可放入任何组件组合。

每个立方体构成 1 U(1 个单位),大约 3.9" × 3.9" × 4" (10 cm × 10 cm × 11 cm),内部容积为一升。立方体的体积可以是 1 U 到 12 U3,并且可以堆叠以形成不同的机械结构(或形状)。最小的 CubeSats 通常重 1.3 公斤(3 磅),最大的约 24 公斤(53 磅),属于一类称为纳米卫星的研究航天器。

洛厄尔太空科学和技术中心(The Lowell Center for Space Science and Technology)

在马萨诸塞大学洛厄尔分校太空科学技术中心,一组本科生团队设计、建造和测试了一颗微型、低成本卫星,称为 Space Hauc2,并将其送入轨道执行为期一年的绕地任务。

该卫星由三个 NASA 模块化 CubeSat 单元堆叠而成,体积约是台式计算机的三分之一。现在,SPACE HAUC 正在轨道上运行,并准备就绪,通过 X 波段通信相控阵列天线,送回有价值的数据和太阳图像。

ADI 专注于卓越教育和发展高质量人才供应管道,与马萨诸塞大学洛厄尔分校合作,为学生提供高级技术、领域专业知识和其他所需的支持,以帮助这种真实的动手学习体验成为可能。

“航空工程师短缺是迫在眉睫的问题,可能会减缓航天工业的发展。为了迎接明天的挑战,需要一支训练有素、积极进取的人才队伍。”

Supriya Chakrabarti,博士

马萨诸塞大学洛厄尔分校洛厄尔空间科学与技术中心主任

马萨诸塞大学洛厄尔分校本科生开发 SPACE HAUC 卫星

在首席研究员 (PI)、洛厄尔空间科学与技术中心 (Lowell Center for Space Science and Technology,LoCSST) 物理学教授 Supriya Chakrabarti 博士的指导下,马萨诸塞州洛厄尔分校于 2015 年秋季向 NASA 提交了一份关于 SPACE HAUC CubeSat 任务的提案。

Chakrabarti 评说:“我们本可以给出提议,但学生们挑战自己,将完成最多的工作。我们提出了一项计划,要建造整颗卫星,并在太空中展示一项新技术。”

Original four members of UMass Lowell's team who helped write the SPACE HAUC proposal.
马萨诸塞大学洛厄尔分校团队最初的四名成员帮助撰写了 Space Hauc 提案。

在五年多的时间里,约百名本科生组成的团队参加了 Cube 卫星项目。该任务的重点是展示学生开发的高数据速率 (〜50 Mbps) X 波段通信系统,该系统具有光束控制能力,并使用相控阵列天线。

Chakrabarti 说:“我们正在为学生的将来做好准备,并建立为空间行业输送优质人才的渠道。”“完全投入和参与的 10 到 20 人将永远不必找工作,因为他们从事着稀有工作。有多少本科生可以说“我建造了一颗在太空中运行的卫星”?

ADI 公司指导 SPACE HAUC 的开发

Space Hauc 团队由 NASA 资助,得益于 ADI 公司和马萨诸塞大学洛厄尔分校工程之间的长期合作伙伴关系,可从 ADI 的行业资深人士那获得零部件、指导和专业知识。该团队获得 ADI 的航空航天、国防和射频产品部门的重要技术指导,包括产品应用工程师 Eamon Nash 和电子设计工程师总监 Bob Broughton 的指导。

Space Hauc 团队每周都会与 Nash 和 ADI 相控阵列小组的其他人会面。Chakrabarti 教授说:“如果 ADI 公司没有提供工程帮助,我们就无法做到这一点。”ADI 工程师成了我们研究工作的老师,我们与 ADI 紧密合作,设计了 X 波段的通信系统。”

Nash 补充说:“他们对新知识已经迎接不暇了。严格地说,把他们带到需要他们去的地方,需要承诺。”

ADI 公司还提供了软件和最先进的硬件,包括收发器、射频天线和电源管理,电源管理可将电池电量转换为所有 SPACE HAUC 的集成电路的正确电压和噪声水平。

Chakrabarti 说:“在其监督下,我们纳入 ADI 芯片组,并设计了自己的通信系统。”“最初,它的规格设计约高六英寸。在与 ADI 公司的两次合作后,现在它高半英寸,我们认为还可以使它变得更小。”

学生设定高标准

SPACE HAUC 团队与 ADI 公司及其领域专家合作,开发了电子设备,使系统能够形成光束,然后将其引导至地球上的接收器。借助波束转向能力,航天器无需直接在顶上即可完成链接,从而增加了链接时间。

系统工程师 Sanjeev Mehta 说:“在 Lowell 的第一年,我参与了 CubeSat 项目。临近毕业时,我对射频通信系统越来越感兴趣。我与 SPACE HAUC 团队和 ADI 公司一起进行设计。然后学生们布置板,进行建造。我们重复了两次,并最终试飞一个版本。”

SPACE HAUC 团队并没有限制在更慢、更容易实施以及更常用的 S 波段。而是将目标设定在更复杂、更具挑战性的 X 波段相控阵列通信系统上,该系统具有 10 倍的数据吞吐量、低延迟、不间断通信以及交叉链路和下行链路能力。

Chakrabarti 说:”我们是开拓者,这种尺寸的 CubeSat 以前没有使用过 X 波段相控阵列。”

UMASS Lowell design of an X-band phased array antenna
马萨诸塞大学洛厄尔分校设计的 X 波段相控阵列天线

ADI 为板载相控阵列系统提供了电子组件,包括无线电的 4×4 元素(等于 16 个天线)。该系统以 A≤5° 的光束控制误差和高达 61.44 Mbps 的速度传输数据。ADI 还提供了用于电源和收发器的零部件。

SPACE HAUC hitched a ride aboard the SpaceX CRS-23 ISS resupply mission.
Space Hauc 搭乘了 SpaceX CRS-23 ISS 备用任务的便车。(照片由 NASA 提供)

发射

发射时,NASA 为小型 CubeSat 有效载荷提供机会和低成本途径,以搭载容量过剩的大型任务。SPACE HAUC CubeSat 于 2021 年 8 月 29 日在 SpaceX 的猎鹰 9 号火箭上发射升空,该火箭装满了为居住在国际空间站 (ISS) 上的机组人员提供的货物和补给品。2021 年 10 月 11 日,一名宇航员引导机械臂将马萨诸塞大学洛厄尔分校(UMass Lowell)纳米卫星从国际空间站部署到太空。

Chakrabarti 说:“SPACE HAUC 是一项巨大的成功,它为本科生提供了太空任务的实践经验——这是项非常复杂的实验,而且预算很少。”“这就像在飞行中建造一架飞机。我们不仅创建了新课程,而且在即将到来的秋季,麻省大学洛厄尔分校将设立航空航天工程专业博士学位。”

通信复杂化

SPACE HAUC 团队目前正在使用超高频 (UHF) 备份与卫星通信,同时等待 FCC 的 X 波段频率获得许可。该团队正试图通过位于校园内的 1.7 m 上行链路天线发送和接收 UHF 通信。然而,上行链路和下行链路使用同一组电子设备会导致一些干扰,而且无法始终连接到卫星。

Chakrabarti 说:“卫星不会与我们交谈,除非我们与它交谈——就像在马可波罗游戏中一样。这叫做复古指令通信。到目前为止,我们还无法解码与卫星的对话。为了迎接挑战,我们正在升级通信变送器和接收器。一旦干扰问题得到解决,我们希望获得 FCC 许可,这样就可以使用 X 波段相控阵列系统,以高得多的数据速率进行通信。”

为了减轻噪音,SPACE HAUC 团队现在将发送和接收功能分开,上行链路使用 1.7 m 天线,并使用更小的独立接收器系统来帮助识别干扰源。

Chakrabarti 说:“最终目标是将 X 波段系统用于上行链路和下行链路。在获得 FCC 许可后,该团队计划将 X 波段下行链路数据从卫星传输到距离马萨诸塞大学洛厄尔分校(UMass Lowell)校区 30 英里的 Haystack 天文台地面站接收器的 18 m 天线。

Chakrabarti 说:“总是会有意想不到的事情发生;否则,就不叫研究了。我们以某种方式设计和建造了的东西目前无法以最佳方式运行。那么怎么办?改变自己。”

ADI 和马萨诸塞大学洛厄尔分校:教育合作伙伴

马萨诸塞大学洛厄尔分校和 ADI 正在合作帮助教育和预备明天的太空工程师。

航空航天和国防集团副总裁 Bryan Goldstein 说:“我们希望为航空航天和防务部门培养有才华的专业人士,并帮助资助麻省大学洛厄尔分校的课程开发。”Goldstein 还是洛厄尔分校工程学院工业顾问委员会的成员。

随着航空航天业的持续快速增长,ADI 和马萨诸塞大学洛厄尔分校正在以各种方式合作,以满足对能够设计和构建创新技术的熟练工程师的需求。例如,ADI 的航空航天和防务部门与马萨诸塞大学洛厄尔分校之间建立了一项创新的高级教育计划,并提供全额资助的硕士学位。硕士奖学金计划为 ADI 的员工提供了更快的途径来攻读电气工程、机械工程或计算机科学的硕士学位。被录取者将每周 40 小时的工作时间分配给工作和学习,而 ADI 将支付硕士学位的全部费用。

马萨诸塞大学洛厄尔分校学术和企业项目开发部助理院长 Sandhya Balasubramanian 说:“新计划扩展了大学与 ADI 公司的长期合作,其中包括与该公司建立强大的研究联盟,并与大学的职业和实习中心合作,为学生提供全职工作、带薪实习和实习。”

Chakrabarti 教授说:“我们得到了 ADI 公司的大力支持。他们在许多层面上持续为大学做出贡献。通过帮助培养下一代伟大的工程师,我们正在对科学产生影响,推动创新和人类发展。“

资源

1 IBM

2 具有高成就本科干部的通信工程科学计划(SPACE HAUC)

3 一些立方体由 27 U 组成