PACE项目如何加快深空技术的发展步伐

图1  Raven Aerostar公司的高空气球图

2021年3月12日早晨,Raven Aerostar公司的高空气球充气升空，该气球目的是在波罗的海测试NASA的V-R3x技术，这次飞行实验是由该机构的“PACE”项目促成的。

图2 NASA的Anh Nguyen拍摄

如图所示,位于波罗的海发射场的V-R3x地面站，随着Raven Aerostar公司的高空气球的不断上升，跟踪气球上的V-R3x有效载荷，以测试该项技术的通信能力。

宇宙飞船由许多部分组成，例如：推进系统、辐射防护、通信系统……每个部分都有不同的技术需求和挑战。然而，在一项创新技术正式应用深空之前，它的可靠性可以通过在离地球更近的地方进行测试，例如在亚轨道和轨道飞行。这些飞行测试使新的技术可以应用在太空中，太空测试具有地面测试不具有的优势，太空环境中没有重力而且可以提供超大的加速度。与此同时也有很多不方便的地方，例如需要数年的时间来不断的收集飞行数据用来调整这项技术，这会大大延长团队的研究时间。

 PACE旨在大幅度缩短传统技术的测试时间。这一努力将NASA的两个项目（飞行机会和小型航天器技术）搭载有效载荷加入到亚轨道和轨道飞行测试，从而试图将这项技术应用于太空探索任务。PACE还与美国宇航局的其他项目合作，如立方体卫星发射计划(CubeSat Launch Initiative)，为NASA的新技术测试过程保驾护航。

    美国国家航空航天局(NASA)位于加州硅谷的艾姆斯研究中心(Ames Research Center)的项目经理Anh Nguyen曾说:“PACE的目标是让尽可能多的技术应用到太空实验中，尤其是新的、有潜在风险的创新技术，这些技术能够真正的突破现在的技术极限。”

     由于通过解决目前测试程序的局限，如严格的有效载荷要求和冗长的审查过程，PACE缩短了早期技术的开发时间，为飞行测试做好准备，以便他们能够迅速获得所需的数据，进行技术改进。用Nguyen的话来说，“他们所需要的就是一个飞行的机会。”

     PACE推动的第一个飞行测试技术是V-R3x，这项技术由斯坦福大学和卡内基梅隆大学的研究人员开发，用于支持立方体卫星群之间的高级通信和导航能力。 2021年3月12日，飞行机会项目支持，在南达科他州苏福尔斯，由Raven Aerostar公司提供了一次高空气球飞行实验，使研究人员能够通过在多个航天器和地面站之间形成网状网络来评估V-R3x的先进网络通信能力。(本段包含链接：V-R3x)

    这个亚轨道数据将被运用于3个V-R3x立方体卫星飞行试验中进行轨道飞行测试。这些立方体卫星于2021年1月24日发射升空。空间演示允许研究人员在近地轨道卫星之间收集双向飞行数据，这是一种确定航天器位置和距离的精确手段，能够帮助研究人员确定新的轨道以及优化相关导航算法。

图3由NASA的Dominic Hart拍摄

     如图3所示，Anh Nguyen, V-R3x任务的项目经理(左)，和斯坦福大学的Max Holliday(中)，在加州硅谷NASA艾姆斯研究中心的实验室组装一个V-R3x地面器件。

    通过PACE进行亚轨道飞行测试的下一项技术是先进发展项目(ADP)，即航空电子系统。ADP是PACE加速测试时间表的关键机制，它具有高度模块化、适应性强、价格合理的优点，采用商用现货组装而成。它的目的是为其他的技术提供必要的机械和通信系统，并可以无缝地从亚轨道到轨道飞行器过渡，最大限度地减少集成系统的复杂性，并允许有效载荷技术研发者把他们的时间和预算集中在发展他们的设计创新上。(本段包含链接：avionics system )

ADP灵活的设计使其本身成为一个试验台，该技术正准备与标准实验无线电、导航和姿态确定系统一起飞行。测试各种子系统将有助于ADP轻松调整载荷的需求，从而提高载荷的成本效益，对航天器的要求不那么严格。ADP的灵活性也允许它面对具有挑战性的要求，如高数据吞吐量或紧凑的航天器机身指向，这使航天器的有效载荷精确地指向地面或空间上的外部物体。

通过为新型航空电子元件提供飞行验证，PACE使整个研究太空领域的有效载荷开发人员（包括商业航天工业和学术界）更容易设计和制造他们负担得起的有效载荷。ADP平台计划于2021年与Raven Aerostar进行轨道发射和高空气球飞行，这将使Nguyen和她的团队能够更好的评估亚轨道和轨道环境下的飞行软件、通信系统和机械性能。

Intrepid是一种低成本、轻量的伽马和中子粒子探测器，这将纳入ADP计划，于今年晚些时候在亚轨道飞行中的首个集成有效载荷。戴恩·肯普(Dayne Kemp)是艾姆斯公司ADP平台和Intrepid公司的首席研究员，他亲身体会到，对于研究人员来说，要实现快速、价格低廉的飞行，以验证他们的创新是多么必要。“如果没有PACE项目，收集技术成熟所需的亚轨道和轨道飞行数据将非常耗时，而且可能更昂贵，”肯普说。(本段包含链接：Intrepid)

图4 NASA 的DominicHart拍摄

如图4所示，四个V-R3x地面单元和一个气球飞行单元在加州硅谷NASA艾姆斯研究中心的实验室进行飞行测试。

现在，ADP和Intrepid都将进行成本效益的飞行验证，快速的推进他们的太空探索任务之旅。PACE试图尽早与有效载荷开发人员联系，不仅为技术人员提供飞行所需的子系统，而且还能提供机构资料，以增加他们成功的概率和优化数据收集的能力。尽管这种轨道和亚轨道飞行测试的组合具有价值，但不管测试的情况如何，该项目的许多有效载荷将首先进行亚轨道飞行，然后最快6个月后，在小型航天器技术计划的支持下进行轨道飞行。不同轨道的飞行过程之间只需要对ADP核心进行简单的调整。

“PACE可以成为一种变革的工具，帮助我们克服探索深空的技术障碍，”位于华盛顿的NASA总部主管飞行机会和小型航天器技术项目的项目主管克里斯托弗·贝克(Christopher Baker)说。“PACE支持的创新有潜力为未来探索地球、月球和其他星球的任务铺平道路，这些任务更快、更便宜，最终也更有可能应用在实践中。”

飞行机会计划介绍

“飞行机会”计划由位于华盛顿的NASA空间技术任务理事会(STMD)资助，并由位于加利福尼亚州爱德华兹的NASA阿姆斯特朗飞行研究中心管理。艾姆斯公司负责技术的征集和评估，以便在商业飞行器上进行测试和验证。(本段包含链接：Armstrong Flight Research Center  Space TechnologyMission Directorate  )

Flight Opportunities

小型航天器技术计划介绍

小型航天器技术项目由STMD资助，由Ames管理。该项目旨在快速开发和演示小型航天器的能力，适用于探索、科学和商业领域。自2020年初以来，该项目一直为PACE项目提供资金。

标签:艾姆斯研究中心，阿姆斯特朗飞行研究中心，立方体卫星，小型卫星任务，空间技术 (本文包含链接：CubeSats  Space Tech  Small Satellite Missions  Armstrong Flight Research Center  Ames Research Center) 

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浮空君评论：

     简单地说，就是PACE支持深空探测技术研究，Flight Opportunities（临近空间/亚轨道）和Small Spacecraft Technology（立方星）项目提供飞行验证的机会。