國際空間站站長克里斯·哈德菲爾德也許會讓你對形象刻板的宇航員刮目相看——他經(jīng)常在互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)布一些有趣的太空生活視頻和照片。盡管他已于今年五月份返回地球，但他返回前，以地球和太空為背景，在空間站零重力的奇妙環(huán)境下，演繹的太空站版MV《太空怪人》卻吸引粉絲無數(shù)。隨著人類未來太空活動的更加頻繁，在不久的將來，現(xiàn)有的微波通訊方式將不能滿足需求。那時，大量的數(shù)據(jù)將依靠什么技術(shù)從空間站、月球甚至火星傳回到地球呢？
激光將使衛(wèi)星通訊趕上高速光纖
事實上，國際空間站的航天員非常喜歡與地面建立實時連接，因為這是他們枯燥的太空生活中的一大調(diào)劑。而由于工作需要，空間站的航天員也需要經(jīng)常和地面建立聯(lián)系，例如，召開視頻會議、瀏覽網(wǎng)頁和傳輸任務(wù)數(shù)據(jù)。
目前，國際空間站的互聯(lián)網(wǎng)帶寬為300MB，是多數(shù)家庭網(wǎng)絡(luò)帶寬的10倍以上，雖然能適用于當(dāng)前的需要，但隨著未來人類太空活動的增加，當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)帶寬將不適應(yīng)需求。
美國宇航局正在開發(fā)新型激光太空通信系統(tǒng)，以此來實現(xiàn)“太空—地球”遠(yuǎn)距、大數(shù)據(jù)通信。這種技術(shù)能將衛(wèi)星通信的速率提高到相當(dāng)于地球上高速光纖網(wǎng)絡(luò)的水平。這一套系統(tǒng)的主要部件包括激光器、望遠(yuǎn)鏡、光學(xué)系統(tǒng)、探測器組合以及信號處理線路。一旦開始工作，在一個萬向架的支承下，望遠(yuǎn)鏡或平面反射鏡、中繼光學(xué)組件、光學(xué)跟蹤系統(tǒng)以及信號探測組件與激光器和二色分光鏡結(jié)合起來構(gòu)成接收和發(fā)射系統(tǒng)，可同時發(fā)射和接收激光，隨之實現(xiàn)信號跟蹤和信號輸出。
美國宇航局計劃在未來十年對用來實現(xiàn)太空通訊的數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（TDRSS）進(jìn)行更新升級。作為多顆中繼衛(wèi)星發(fā)送數(shù)據(jù)至地球的集線中心，第一代TDRSS建立于20世紀(jì)80年代末至90年代初，2013年初已發(fā)射第三代TDRSS的第一部分。未來，太空旅游和太空旅館將帶來更多的太空游客，在太空登陸互聯(lián)網(wǎng)將是他們太空生活的重要一部分，激光通訊和TDRSS系統(tǒng)將是理想的太空——地球互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)方法。通過這些技術(shù)在太空生活的人們，將可以與地球上的家人、朋友進(jìn)行高清晰視頻聊天，互發(fā)微博等。
激光通訊設(shè)備可減輕空間站負(fù)載
使用激光太空通信系統(tǒng)的優(yōu)勢在于它擁有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，而這種速率是之前使用的微波通信系統(tǒng)所達(dá)不到的。同時，由于通信光束嚴(yán)格聚焦，激光太空通信系統(tǒng)的抗干擾和防竊聽能力非常強(qiáng)，而這種高度準(zhǔn)直的光束完全可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。另外，激光波長比微波短，因而可以借助較小的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)生嚴(yán)格聚焦的光束，與相同性能的射頻系統(tǒng)所需的微波天線相比，這種發(fā)射望遠(yuǎn)鏡要小整整一個量級。對于在空間站上控制通信系統(tǒng)的人來說，這意味著工作大大簡化，同時，空間站的重量和負(fù)載空間都因激光太空通信系統(tǒng)擁有更小的信號傳送器而大大節(jié)省。
但是，太空的環(huán)境對于實現(xiàn)激光通訊所需的光學(xué)系統(tǒng)來說非常嚴(yán)酷。首先光學(xué)系統(tǒng)必須足夠牢固，才能經(jīng)受航天器發(fā)射時的沖擊和振動。一旦進(jìn)入軌道，起飛加速器產(chǎn)生的氣體、航天器的潤滑劑和密封墊的排氣，都有可能污染光學(xué)系統(tǒng)，從而影響激光通訊。不過，采用密封光學(xué)系統(tǒng)和萬向架支承的望遠(yuǎn)鏡可以解決這個問題，這種望遠(yuǎn)鏡有抗污染的屏障窗口，因此污染物只會沉淀在外窗上，不會對內(nèi)部結(jié)構(gòu)有影響。
使用激光通訊系統(tǒng)還要對付長期的宇宙輻射，這可以采用摻鈰玻璃或石英制成的透鏡屏蔽關(guān)鍵元件，以及采用輻射強(qiáng)化的電子元件來防御這種威脅。
激光太空通信系統(tǒng)高保密性、高存活力與抗干擾的優(yōu)勢，既能讓太空通訊的“網(wǎng)速”加快，又能減輕重量負(fù)擔(dān)和能量需求。這種技術(shù)將來還有可能應(yīng)用于衛(wèi)星對海底的通信，以及兩架飛機(jī)之間的溝通，例如，用在空中加油機(jī)和需要加油的戰(zhàn)斗機(jī)上。也許不久的將來，每個人都將會有機(jī)會像國際空間站站長克里斯·哈德菲爾德一樣，傳回自拍的太空站版MV了！