美国宇航局正在测试太空激光将数据发回地球

在太空中通信可能具有挑战性。但 12 月 7 日凌晨，NASA 启动了激光通信中继演示 (LCRD)，计划利用流行的科幻概念“隐形激光”改善太空与地面的通信。

LCRD 以 NASA 2013 年月球激光通信演示技术为基础，将以每秒 1.2 千兆比特的速度向地球传输数据，大约是其前身中继速率的两倍。这一速度足以在不到一分钟的时间内下载整部丹尼斯·维伦纽瓦的电影。

LCRD 有效载荷项目经理 Glenn Jackson 表示，此次演示有朝一日可能有助于在月球甚至火星上铺设互联网网络。“目前，我们使用无线电频率将数据和视频传输到地球，”Jackson 说。“激光通信增加了带宽，使我们能够从宇航员和科学任务中将更多数据传输到地球。”

激光通信如何工作？

激光通信，又称光通信，利用光来传输信息。这项技术在地球上已经存在于电视遥控器和加热灯等日常用品中，但其应用规模通常比 NASA 计划在探索太阳系时建造的规模小得多。

几十年来，宇航员和工程师仅依靠无线电波或电磁频率在航天器和地球之间来回发送信息。但由于无线电信号以光速传播，就像光一样，它们会传播很远的距离。

这种扩散可能会导致传输延迟，如果科学家无法迅速到达航天器并帮助其摆脱困境，则可能会危及任务。最著名的通信事故之一发生在 2020 年，当时深空站 43（地球上唯一可以与 NASA 运行时间最长的太空任务旅行者 2 号通信的无线电天线）因维护而关闭。该机构立即失去了向这艘老旧的航天器发送指令的能力，直到近一年后才能够重新建立联系。

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为了避免这种灾难并加快太空通信速度，该机构最新的演示计划是使用红外激光将信息发回地球。与无线电波不同，激光产生的光束非常紧密，这意味着它们可以传播很远的距离而不会受到扩散的影响。这些光束也是不可见的，除非它们直接射入眼睛，因为在太空中，它们没有任何东西可以反射。

激光通信使用比无线电波更短的能量波长，使科学家能够发送比当今传统无线电系统多 10 到 100 倍的数据。但它是如何工作的呢？

LCRD 机载有强大的高速电子设备，可帮助控制其性能，还有两个光学模块或望远镜，每个模块都有各自的用途。一个望远镜接收来自用户航天器的数据，而另一个望远镜将数据传回地面。据 NASA 称，虽然当前航天器上的无线电系统需要大约九周的时间才能传输完整的火星地图，但激光技术可以将这个时间缩短到九天。

LCRD 的使命到底是什么？

由于燃料储存系统发生煤油泄漏，LCRD 最初从卡纳维拉尔角起飞的时间被多次推迟，本周，LCRD 终于获准发射，成为美国太空部队太空测试计划卫星 6 号任务的两个有效载荷之一。Atlas V 火箭升空后大约两分钟内可见，因为它获得了足够的速度（超过 2,200 英里/小时）离开地球大气层。

目前，LCRD 位于距地球 22,000 多英里（约为到月球距离的十分之一）的地球同步轨道上，它将在那里度过两年的测试和实验，然后开始支持科学任务。它将于明年 1 月开始通电，NASA 的科学家应该能够在 3 月之前用它进行实验。

对于该机构的首个端到端光学中继，绕地球运行的卫星将向加利福尼亚州和夏威夷的两个地面站传送数据。但激光并非完全无敌——就像云遮挡太阳一样，它们也会干扰激光信号——这意味着 NASA 的地面站需要放置在高海拔和历史性好天气的地区。如果一切按计划进行，2022 年，国际空间站上的宇航员将成为首批使用 LCRD 将各种仪器的科学数据传输到地球的人之一。

发射期间，美国宇航局太空行动任务理事会副局长凯西·吕德斯 (Kathy Lueders) 表示，LCRD 的演示不仅是天地通信的重要飞跃，而且该技术对于美国下一次载人航天任务“阿尔忒弥斯” (Artemis) 的成功至关重要。

“我们需要改进我们的通信系统，以便能够在月球周围开展载人航天活动，”吕德斯说。她指出，如果这次演示失败，可能会使 NASA 的通信能力倒退 5 到 10 年。

这有什么大不了的？

随着太空变得越来越拥挤，卫星收集的数据越来越多，激光通信提供了一种比现有技术更经济、更快捷的替代方案。虽然该系统不会很快取代传统方法，但 Leuders 表示，很容易将无线电想象成拨号连接，将激光想象成高速互联网。

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尽管整个有效载荷大约相当于一张特大号床垫，但它仍然比最强大的无线电系统更紧凑，耗电量也更少，非常适合需要额外载货空间的任务。而在太阳系中，这些细节可能意味着任务失败和任务成功之间的区别。

杰克逊说：“[激光通信]减少了航天器和太空探索通信所需的重量和能量。”这意味着有更多的空间可以容纳燃料、成像工具，甚至有一天，宇航员。

麻省理工学院电气工程与计算机科学教授 Vincent Chan 认为，光通信成为商业产品的一天可能很快就会到来。他说，由于 SpaceX 和 Blue Origin 等公司的影响，激光技术的未来一片光明。

“长距离光学总是有优势的，”陈说。除了 LCRD，NASA 目前还计划开发更多测试激光能力的任务，包括猎户座 Artemis II 光通信系统和 Psyche 上的有效载荷，后者是一艘将测试激光在深空环境中表现的航天器。