查尔斯-布朗（Charles Brown）是Ocean Insight公司的营销战略分析师，也是本文作者和 哈尔玛未来领袖发展计划的成员 。Ocean Insight 是 Halma 旗下公司。
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自人类踏上月球的第一步以来的半个多世纪里，人类的太空探索主要集中在无人探测船和低地球轨道任务上。然而，近年来，人们对航天事业重新燃起了希望，希望我们能够实现20世纪早期太空探索者的雄心壮志。
这一复兴是发射成本降低、技术改进、私人投资增加和公共部门兴趣日益浓厚的结果。据预测，全球太空经济的规模在未来 20 年内将扩大两倍，到204 年将超过 1 万亿美元1 。自 2005年以来，全球发射的卫星数量逐年稳步增长，这充分证明了太空复兴的成果。此外，美国国家航空航天局（NASA）和其他私营航天公司已计划开展月球和火星载人飞行任务，NASA 最近透露，计划到 2028 年实现月球的持续存在。
光谱学在太空飞行中发挥着重要作用。几乎每一个现代航天器上都有光谱仪。卫星、空间站甚至火星探测器都在某种程度上使用光谱仪，因为对光的测量对于进一步了解我们的宇宙非常有价值。模块化分光仪使这种研究技术成为可能，因为现代分光仪体积最小、重量最轻、功率最大，适用于大多数太空飞行系统。
让光谱仪为太空服务
不断增长的太空经济将为包括光谱学在内的技术提供更多机会，无论是用于地面、实验室测试还是航天器上的测量。然而，即使是最坚固耐用的现成商用光谱仪也无法承受太空环境的恶劣条件。需要对仪器进行改装，以满足极端的操作要求，同时仍能保持高标准的性能。Ocean Insight 公司在解决此类问题方面拥有丰富的经验。
以下是一些潜在的考虑因素：
- 由于设备在外层空间将受到一系列高电离辐射的轰击，因此必须开发防护外壳/机箱。
- 设计必须使光谱仪能够在从大气压到真空再到大气压的过程中正常工作。仪器还必须足够坚固，能够承受发射、重返大气层和着陆时的冲击和振动。
- 航天器在轨道上的低温可达 -257华氏度，而重返大气层时的高温可达 2730华氏度 3,4。
- 该装置不应产生任何可能影响飞行器上其他系统的电磁干扰，并且必须在溅落过程中受到海水侵蚀后仍能继续工作。
海洋洞察与空间应用
在开发航天器的过程中，减小机载仪器的尺寸和重量是一个非常重要的考虑因素。使用像 Ocean InsightSTS 微型光谱仪这样小巧轻便的光谱仪进行星载分析尤其有益。STS 用途广泛，但重量仅为 60 克，这对于限制有效载荷负担非常重要（图 1）。除了满足减小尺寸和质量的需求外，STS 等更简单的接口所需的复杂电路也更少，从而提高了整个系统的可靠性。
图 1.尽管 STS 显微光谱仪体积小巧（40 毫米 x 42 毫米 x 24 毫米），但却非常坚固耐用，而且在很宽的温度范围内具有热稳定性。
LCROSS：月球之旅
Ocean Insight 在美国国家航空航天局（NASA）的月球环形山和观测传感卫星（LCROSS）任务中发挥了作用，该任务是 2009 年的一个项目，旨在确认月球表面是否存在冰水。LCROSS 上搭载了我们QE 系列光谱仪的一个改进版本，其配置用于探测紫外-可见光区域。该光谱仪将通过识别电离水分子、羟基自由基或含碳有机物来确认水的存在。
在飞船接近地表时进行了测量，火箭末级的撞击产生了碎片羽流。通过对穿过羽流的太阳光进行光谱测量，可以确定羽流中存在水分子。美国国家航空航天局证实，在LCROSS 任务期间进行的红外线和紫外线测量中都检测到了水的特征，”海洋洞察 “号上的 QE 光谱仪提供了紫外线确认。在月球表面探测到水意义重大，因为它是潜在生命的标志。此外，如果要建立月球基地，水也是至关重要的，因为水可以维持生命，也是氢气形式的燃料来源。(2022 年初，中国空间研究人员报告了对月球上水的现场分析）。
好奇号漫游火星
美国国家航空航天局（NASA）的 “好奇号 “漫游车已经在火星表面漫游了近十年。它取得了巨大成功，极大地提高了我们对红色星球表面气候和地质的认识。海洋洞察公司与美国国家航空航天局（NASA）合作，参与了该航天局的化学和摄像综合系统（ChemCam）的早期开发工作，该系统是火星车上的一个装置，利用激光诱导击穿光谱仪（LIBS）评估火星表面岩石和土壤的元素组成。激光诱导击碎光谱仪的工作原理是，瞄准7米以外的岩石区域，用高能红外激光使其气化。然后使用光谱仪观察汽化岩石的光谱，从而确定元素组成。
在ChemCam的早期版本中评估了三种型号的Ocean InsightHR系列光谱仪，它们被配置为探测不同的波长，因为某些可探测元素在多个光谱范围内都有光谱线。不过，最终美国国家航空航天局（NASA）还是选择了自己高度定制的光谱仪来执行ChemCam任务，尽管我们的一些机械设计也是到达行星表面的仪器的一部分。
ChemCam 在成功识别微量元素和金属氧化物方面发挥了重要作用。好奇号的一个突破性发现是，ChemCam 在盖尔陨石坑发现的部分岩石中观察到了 >25 wt% 的 MnO（氧化锰）。这表明古火星大气中的氧气含量曾经比现在丰富得多，地下水可能曾经很普遍。
未来探索猎户座
Ocean Insight STS 光谱仪用于美国宇航局猎户座飞船的早期测试。猎户座号希望作为载人飞船，载着人类走得比以往更远，其设计支持未来的载人火星任务。
重返地球大气层是载人航天器设计的一个重要考虑因素。这是因为当飞船从真空空间高速进入大气层时，与大气层的摩擦会产生极高的温度。隔热罩是一种保护性隔热材料，用于保证宇航员在飞船内的安全（图 2）。
再入大气层期间，隔热罩周围的气体温度可高达 4000oF，热辐射产生的大量能量进入飞行器。利用 Ocean Insight STS 光谱仪在飞行器上进行的光谱测量将使 NASA 能够改进和验证其辐射加热模型（图 3）。这将有助于优化高速重返地球大气层的热防护系统（TPS）的设计。
商业利益：立方体卫星
立方体卫星（CubeSats）是航天工业中一个日益受到关注的领域。立方体卫星是一种用于空间研究的微型卫星，由多个立方体模块组成。由于体积小、重量轻，它们的用途非常广泛，开发成本也比传统卫星低得多。目前在环绕地球轨道上运行的立方体卫星数量在过去十年中增加了 40 倍。
海洋洞察与私营公司和大学合作开发立方体卫星，用于开展有价值的科学研究。柏林技术大学正在开发一颗立方体卫星，利用紫外光谱仪探测流星体并确定其特征。正在考虑将 Ocean InsightMaya2000 Pro和 USB 光谱仪用于柏林工业大学的立方体卫星，以进行紫外线测量。我们的光谱仪性能可靠、质量小、功耗低，非常适合这一应用。这项研究的优势在于，由于大气对波长小于 310 nm 的光的吸收，在地球上无法进行此类测量。
Ocean Insight 还与 OHB 系统公司载人航天部和欧洲航天局（ESA）成功合作开发了一种立方体卫星。2019 年，作为 SPECTRODemo 项目的一部分，OHB 成功部署了一个定制的火焰模型光谱仪。SPECTRODemo是国际空间站（ISS）上拟议的外生物学设施的前身。外生物学设施是国际空间站上的一个外部立方体卫星设施，用于研究暴露于太阳辐射（图 4）对生物和非生物样本造成的化学后果。
利用我们的火焰紫外可见分光仪，国际空间站研究人员可以监测这些样本吸收光谱的变化，以了解化学成分的任何变化。这样的实验解决了试图在地面实验室模拟早期地球或太空条件的难题。
结论
模块化光谱仪经常被用于太空应用，因为它能提供非常有用的测量结果，同时将航天器有效载荷的体积和重量减至最小。海洋洞察光谱仪随着航天工业的发展而不断发展，部分原因是我们愿意接受新的挑战，并调整我们的技术以应对这些挑战。这使得新一代仪器更加精确、坚固，并且更容易集成到探索太空和其他激动人心的前沿领域的应用中。
- 太空：投资最终前沿》，摩根士丹利，2020 年 7 月 24 日https://www.morganstanley.com/ideas/investing-in-space
- Mazareanu，E. 1957-2019 年发射的卫星数量，Statista，2020 年 6 月 23 日。
https://www.statista.com/statistics/896699/number-of-satellites-launched-by-year/ - 国际空间站是冷还是热》，《科学 ABC》，2021 年 11 月 11 日
https://www.scienceabc.com/nature/universe/is-it-hot-or-cold-at-the-international-space-station.html - 联邦航空管理局。从太空返回：再入大气层，高级航空航天医学在线，第 III 部分 – 空间操作，4.1.7。
https://www.faa.gov/sites/faa.gov/files/about/office_org/headquarters_offices/avs/III.4.1.7_Returning_from_Space.pdf