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如果没有这些芯片和软件，那么让你的鼠标和电脑进行协作将是一件高难度的挑战性工作。你至少需要深入了解网络协议和脉冲序列的时序，而且你必须投入大量时间认真设计电路、编制驱动程序、编写测试代码，等等。而这只是为你的鼠标做的工作。你还需要为你的键盘、打印机、扫描仪以及其他类似的设备（它们有各自独特的接口和功能）开展上述工作。你很快就会发现，自己需要花费大量精力将这些不同的设备整合进一台可正常工作的电脑上。

你已了解如何研制一颗典型的卫星。鉴于其高度复杂性和高度个性化，研制它们一般需要花费多年的时间和数十亿美元，而且常常会远超预算和完成期限。例如，美国国防部的转型卫星通信系统于2003年提议研制，预算费用为120亿美元，其五颗卫星中的第一颗拟于2011年发射。到2006年，其成本已增至近160亿美元，发射首颗卫星的预定时间也推迟到了2014年。到2009年该研制计划被撤销时，尽管对原先提出的功能进行了缩减，对其最终成本的报价还是达到了260亿美元，而且时间表预计要进一步推迟。

这并非个别事件——事实上，这种情况是很普遍的。因此，我们空军研究实验室（AFRL）的一些人从十几年前开始寻找一种更好的方法。在由来自产业界、政府和学术界的一些研究人员组成的一个小型骨干队伍的协助下，我们一直在研究个人电脑这个范例以及其他行业的“即插即用”设计，以寻找可以运用到建造更好的航天器这一任务上的经验教训。传统上，卫星设计师会通过使用更快的处理器或更先进的传感器来努力提高卫星的原始性能或系统能力。然而，我们采用了非常不同的方法，我们是专注于消减从建造到发射所花费的时间。我们的目标极高：用仅仅六天时间内就建造出一颗可用的卫星。

我们不仅取得了成功，还为其他人奠定了基础。我们的即插即用思想被吸纳进好几个卫星项目，包括诺斯罗普.格鲁门公司（Northrop Grumman Corp.）为美军研制的一颗战术战场卫星。这种基本架构也非常适合于携带各类电子仪器的航天器（如气象和环境监测卫星）和具有内在的模块化设计的航天器（如通信卫星）。尽管我们最初的努力主要是针对小型卫星（即重量不超过450公斤的卫星），但无论系统的大小如何，这种即插即用的架构应该都是适用的。

与此同时，卫星设计和制造业领域的并行化趋势应该会使即插即用卫星的采用更受本来相当保守的航空航天产业的青睐。这些即插即用卫星中包括极受欢迎的被称作CubeSats的微型卫星。很多大学生和其他航天爱好者都曾研究过这些极小的轨道飞行器，并在这个过程中萌生了这一观念，即卫星设计无需成为一种高开销的活动。3-D印刷术，允许直接从数字化设计快速生成三维物体；这种快速的按需制造技术得到了DIY群体的推崇，它也是对即插即用卫星设计的完美补充。

你或许认为，卫星造价高昂的原因是其组件异乎寻常。这些组件当然不便宜，但实际上绝大部分成本都与劳动力相关。航天器开发商被强制要求检查、反复检查、反反复复检查每一个细节。一些团队甚至包括负责追查每个晶体管、电容器和集成电路的确切生产日期，以及生产厂家的人员。一位前美国宇航局工程师曾经自豪地对我说，他帮助设计的每一个航天器晶体管都有相当于一抽屉的文件作为支持。

而且组件数量很大——在某些卫星里，关键任务计算机都是一式三份。在一种称为三模冗余的方法中，三台计算机进行对比计算，如果其中一台与另外两台的计算结果不一致，则多数派获胜。在某些情况下，每台计算机的软件都是由不同团队创建的，以便减少三台计算机在执行相同任务时同时出现故障的机率。

几种其他的劳动密集型策略也会增加成本。一种策略是使用旧版组件。其想法是在已有航天器上载飞过的组件造成的风险较低。不过，重用以前任务的组件设计常常需要对硬件接口和飞行器软件进行重大改造。这就像试图使用来自多个旧拼图的图块来拼凑出一个新的拼图：为了让图块合用，需要你制作额外的独特图块来填补缺口和使整个拼图浑然一体。

其规划过程也是非常低效和耗费人力的。需求会不可避免地变化（尤其是从长期发展的角度来看），依据前述策略设计和建造一个典型的航天器并不会在规划过程上有任何重大的改变。想象一下，如果你在建造一所房子，每次你决定改变某个主要装置或某件家具，你都不得不重新设计整个建筑，那么你的建筑账单会是一番什么景象。

USB和以太网标准允许你以模块化方式组装个人电脑，然后将其连接至网络。电脑组件基本上都是黑匣子：你通常只需知道某个组件的功能（它是鼠标、键盘、网络摄像头还是其他什么东西）及其所需的连接器，而无需知道它的内部构造方式。

根据“MONARCH”思想，航天器的组件同样可以被视为黑匣子——只不过它们不是鼠标或键盘，而可能是陀螺仪或者科学仪器。这些组件都有标准连接器，可以很容易地组合起来形成一个MONARCH系统。一个较大、较复杂的航天器只不过比较小、较简单的航天器多些黑匣子。

MONARCH只考虑了三类黑匣子，分别是：“端点”，它们是执行某项功能的组件，如温度计、摄像头和无线电设备；“路由器”，它们连接两个或更多组件；“主机”，它们类似于个人电脑的中央处理器。主机运行使得它可以控制组件的各种开源“应用程序”。这些应用程序比典型的iPad或安卓应用程序更复杂，不过和它们一样，每个应用程序都是一个执行特定功能的较小程序。例如，一个航天器导航应用程序能使卫星跟踪自己的位置和运动，并利用控制算法对推进器进行任何必要的调整。另一个应用程序收集遥测数据，借助于它，卫星能以一种适合将信号向下传输至地面对象的形式持续监测其健康和状态。这基本上就是MONARCH思想的全部：将若干组件组合起来形成一个卫星系统，卫星系统的应用程序利用这些组件去执行卫星的任务。

十多年前，我们这个团队的成员首次聚集到了一起，之后我们投入了数月时间来仔细研究连接MONARCH组件的最佳方式。比如说，当一个新通信设备被添加到卫星上时，主机和路由器怎么知道它是什么，是做什么用的?个人电脑利用软件驱动程序完成此项工作；驱动程序在操作系统和组件之间扮演一个桥梁角色。不过我们不想使用驱动程序，因为在组件每次有变化时，都需要对驱动程序进行更新。如果你曾不得不为自己的新打印机寻找驱动程序，结果却发现尚不存在适用于你所使用的操作系统的驱动程序，那么你肯定知道那有多令人烦恼。我们使用了不同的方法，是将一些代码植入每个MONARCH组件，这些代码会告诉主机和路由器刚刚连接的组件是一个高频无线电接收器、一根天线还是一个陀螺仪。

在重新思考我们的组件的过程中，我们借鉴了美国发明家伊莱.惠特尼（Eli Whitney）的思路。通过倡导枪支使用可互换零件这一观念，惠特尼给枪支行业带来了一次革命。当然，一颗现代卫星所拥有的组件类型会远远超出惠特尼时代的枪支，但其总体思路依然有效：如果组件是标准化的且能共享某个通用接口，那么就能快速地将它们装配上去；任何有瑕疵的或老旧的组件都能很容易地被移除下来和被替换掉，而无需从零开始。而且，所需的劳动力（以及因此产生的总成本）可以保持在较低水平。

我们的第一个系统被称为“即插即用卫星-1”，或者“PnPSat-1”。在一系列练习的过程中，我们很快将体现未来卫星设计的各种计划整理了出来；它们都是松散地基于现有的传统卫星的架构，如美国国空军研究实验室开发并于2006年发射的小型成像卫星TacSat-2。一个典型的PnPSat建造过程始于模型设计工作，将是利用设计工具给出的相当粗略的估计值进行模型设计（未来的即插即用航天器研制团队可能会有供他们随意使用的设计工具）。从这一设计工作中会产生卫星的飞行器软件和材料清单——即所需要的MONARCH组件的清单。我们还提出了一套装配指南，说明了将组件连接到面板上及将面板互相连接的顺序等问题。

敲定设计之后，我们就必须要真正组装这个家伙了。我们的团队在这时的职责类似于美国国家运动汽车竞赛协会(NASCAR)的后勤维修人员，在精心编写的装配指南的指导下开展组装工作。在初试时，我们主要使用各个组件的实体模型，组装工作花费了大约4小时时间。不过，最后我们要组装真实的硬件以得到能够飞行的轨道飞行器，这次我们只用了1小时多一点的时间就完成了组装（要想了解我们是怎么做的，可以观看我们初试时的延时视频，网址是http://spectrum.ieee.org/satellite0812.）。组装工作让人精疲力竭，不过我们知道时间不等人，这使得这项工作令人兴奋和充满乐趣。

我们建造PnPSat-1的目的是证明即插即用原则，包括依照这些原则能否得到具备太空价值的航天器。为此目的，这颗卫星原定于2008年8月发射，但在发射前几个月它被挤出了升空飞行器名单——考虑到它的运载火箭SpaceX Falcon 1在发射不久即告失败，这也许不是一个坏结果。

已有好几个设计和建造的卫星在使用MONARCH。诺斯罗普.格鲁门公司开发的重达400公斤的战术战场卫星被称为“模块化空间飞行器（Modular Space Vehicle，MSV）”。它载有多种可插拔无线电设备和光电仪器，包括通信模块以及战术情报、监视和侦察装置。开发、建造并测试模块化空间飞行器的工作为期24个月。

鲍勃.特威格斯（BobTwiggs）就是其中的一位，他以前是斯坦福教授，在肯塔基州的摩尔海德州立大学工作。为了教学生卫星知识，特威格斯曾提出了立方体卫星（CubeSat）的构想。这些微型航天器自此成为一种病毒般的现象，世界各地数以百计的团队（包括高中和通过Kickstarter 获得资助的团队）都在建造它们。

典型的CubeSat是一个边长10厘米的简易正方体，重量不足1.33公斤，却囊括了一颗自主卫星（Autonomous Satellite）的所有必要部件，包括电源、通信设备和一个有用的仪器。如果不满足于只用一个立方体，那么可以使用双层或三层CubeSat。你也可以另辟蹊径：特威格斯的项目PocketQub将一个CubeSat拆分成了8块，每块有一口大小。

CubeSat日益普及的主要原因之一在于将小型航天器携带到轨道并将其释放到太空的投放器的出现。这种投放器的正式名称是“多皮卫星轨道投放器（Poly-Picosatellite Orbital Dispenser）”，通常使用其简称P-POD，其发音当然是“Peapod”（即豆荚），它看上去像一个弹药箱。P-POD由加州州立理工大学的若尔迪.普伊赫.苏阿里亚（Jordi Puig-Suari）开发，它最多可以容纳3颗CubeSat，而且这个坚固耐用的容器可以很方便地加装在几乎任何运载火箭上，从而可以利用大多数火箭都有闲置的运载能力这一事实。已经成功发射了几十颗CubeSat。在轨道的CubeSat完成各种任务，如研究穿越电离层的无线电波，以及测量近地轨道的宇宙辐射通量。

CubeSat和MONARCH共有的一个愿景是有一个简化的、标准化的架构，它使得航天器的设计能够快速、低成本地完成。不过，大多数CubeSat并非即插即用的，所以它们遭遇了与困扰大卫星的问题相同的一些问题，比如需要集成缺少标准接口的自定义组件。对于CubeSat而言，这些问题会因为卫星的简易性以及它们通常系由小规模紧凑型团队建造这个事实而得以缓解。尽管如此，MONARCH方法完全没有理由不能适用于CubeSat，事实上，我们的团队已经建造了几十个公文包大小的即插即用版本的CubeSat，并将其用于训练目的。我们可以在几分钟之内将其拆零并转接完毕。正如伊莱.惠特尼在几分钟之内快速拆卸多支来复枪并将一堆零件重新组装成型从而让美国国会的议员们叫绝一样，我们的演示往往让观众们感到惊奇。

当然，许多卫星部件（如发动机和复杂的微电路）无法用现有的3-D打印机制作。现有的大多数3-D打印机只能以一种材料印刷，而制作卫星或是智能手机这样的复杂产品需要几百种材料。我们与德克萨斯大学埃尔帕索分校W.M. Keck三维创新中心的研究人员开展了合作，该中心积累了世界上一批令人赞叹的3-D印刷设备。该中心的一些非常有趣的工作包括混合材料印刷、构建类似电子块的产品等。通过印刷电介质和导体，并通过利用抓放（pick-and-place）机械将微型电子元件安放到合适的位置，应该有可能按需制造出个性化的电子组装产品。

佛罗里达州奥兰多市的nScrypt公司进一步推动了这个想法。它的工程师们相信，在大约几年之内，他们可以研制出能够印刷并组装出完整的智能手机（包括其电子设备、无线组件和显示屏）的一体机。一旦这个想法实现，我们就离能为一个完整的MONARCH航天器印刷出所有的组件不远了。

那么，MONARCH、CubeSats和3-D印刷技术能否开创出一个卫星设计的新时代，从而大幅度减少困扰现有项目的数十亿美元成本问题和严重的低效率问题呢?突破性想法总是很难推销出去，尤其是在航天界，这里的技术应用策略可以用“爬，走，跑”这样的短语形容。不过，一切照旧的做法（大大超过其预算并耗费数年才能建造出来的大型航天器）是无法持续的。如果有一种方法，利用它花费很少的费用和时间就能建造出设计良好、富有能力的航天器，那么我们有必要去尝试它。我们没有失去什么——并且能节省数十亿美元。

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