輔助著陸器通信的高效率天線設(shè)計(jì)方案

JPL的全金屬設(shè)計(jì)可承受木衛(wèi)二的惡劣環(huán)境。

木衛(wèi)二（也叫“歐羅巴”）是木星的伽利略衛(wèi)星之一，其液態(tài)水含量至少是地球海洋的兩倍。據(jù)估計(jì)，其中有一片深40到100英里（60到150千米）的海洋跨越整個(gè)衛(wèi)星，被封在十幾千米厚的冰面下。唯一能夠證明這片海洋存在的直接證據(jù)是偶爾從冰縫中噴發(fā)出的水柱，這些水柱可噴射到距離冰面200千米的高空。 木衛(wèi)二無邊無垠且陽(yáng)光照射不到，聽起來可能異常慘淡凄涼。然而，它卻是最有希望找到地外生命的星球之一。要設(shè)計(jì)一臺(tái)能夠在如此惡劣的環(huán)境下生存的機(jī)器人著陸器，需要在某種程度上重新考量它的所有系統(tǒng)，包括可以說是最重要的通信系統(tǒng)。畢竟，即使著陸器的其余部分能完美地運(yùn)行，但如果無線電或天線斷裂，我們就永遠(yuǎn)失去這臺(tái)著陸器了。

目前還沒有計(jì)劃向木衛(wèi)二發(fā)射著陸器，但這位藝術(shù)家的作品向我們展示了這種著陸器可能的外形，包括與地球保持聯(lián)系所需的新天線設(shè)計(jì)。

我是美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）的一名高級(jí)天線工程師。最終，當(dāng)JPL開始認(rèn)真考慮木衛(wèi)二著陸器任務(wù)時(shí)，我們意識(shí)到，天線是其中的一個(gè)限制因素。當(dāng)?shù)厍蚝湍拘翘幱谧畲蠓蛛x點(diǎn)時(shí)，天線需要維持一條橫跨5.5億多英里（9億千米）直達(dá)地球的鏈路。天線必須具有足夠的抗輻射能力，才能在木星電離粒子的沖擊下生存下來，而且還不能太重或太大，否則會(huì)在起飛和著陸時(shí)危及著陸器。挑戰(zhàn)擺在面前時(shí)，有一位同事說這是不可能的。不管怎樣，我們還是制造出了這樣一種天線，雖然它是為木衛(wèi)二設(shè)計(jì)的，但這是一項(xiàng)革命性的設(shè)計(jì)，我們已經(jīng)順利地將其用于以太陽(yáng)系其他目的地為目標(biāo)的未來任務(wù)中了。

目前，唯一計(jì)劃向木衛(wèi)二發(fā)射的是快船號(hào)軌道飛行器，這是NASA的一項(xiàng)飛行任務(wù)，將研究木衛(wèi)二的化學(xué)成分和地質(zhì)情況，可能于2024年啟動(dòng)。快船號(hào)還將為以后可能開展的著陸器登陸木衛(wèi)二的任務(wù)進(jìn)行勘測(cè)。此時(shí)，任何這樣的著陸器都是概念性的。不過，NASA仍然資助了一個(gè)木衛(wèi)二著陸器概念，因?yàn)橐氤晒Φ卦谶@個(gè)冰封世界完成任務(wù)，我們需要開發(fā)一些關(guān)鍵性的新技術(shù)。木衛(wèi)二和我們以前嘗試登陸過的任何地方都不一樣。 到目前為止，唯一探索過外太陽(yáng)系的著陸器是歐洲航天局（ESA）的惠更斯號(hào)著陸器。2005年，它搭載卡西尼號(hào)軌道飛行器成功降落在了土星衛(wèi)星土衛(wèi)六上。我們的著陸器及其天線主要參照火星著陸器設(shè)計(jì)。 傳統(tǒng)上，為火星任務(wù)設(shè)計(jì)的著陸器（和漫游車）依靠的是高數(shù)據(jù)速率的中繼軌道器將科學(xué)數(shù)據(jù)及時(shí)傳回地球。

火星勘測(cè)軌道飛行器和火星奧德賽等軌道器都使用了大型拋物面天線與地球通信，它們的功率很高（約100兆瓦）。雖然毅力號(hào)和好奇號(hào)漫游車也有直接對(duì)地天線，但它們體積小，功率低（約25瓦），效率不高。這些天線主要用于傳輸漫游車的狀態(tài)和其他低數(shù)據(jù)速率更新。這些現(xiàn)有的直接對(duì)地天線根本無法勝任從木衛(wèi)二到地球的通信任務(wù)。 此外，木衛(wèi)二與火星不同，它幾乎沒有大氣層，因此著陸器無法使用降落傘或空氣阻力來減速。

相反，著陸器需要完全依靠火箭來剎車和安全著陸。這種需要限制了它的尺寸，它太重了，因?yàn)榘l(fā)射和著陸都需要非常多的燃料。例如，一個(gè)中等尺寸、400千克重的著陸器需要的火箭和燃料重量之和在10到15噸之間。此外，在最后登陸木星并在木星強(qiáng)大的磁場(chǎng)所產(chǎn)生的強(qiáng)輻射環(huán)境中工作之前，著陸器還需要在外太空飛行六七年。 我們也無法在木衛(wèi)二著陸器的上方設(shè)計(jì)一臺(tái)軌道器來中繼信號(hào)，因?yàn)樵黾右慌_(tái)軌道器很容易使任務(wù)成本過高。即使在著陸器到達(dá)時(shí)快船號(hào)仍能奇跡般地正常工作，我們也不會(huì)進(jìn)行這樣的假設(shè)，因?yàn)橹懫鲿?huì)在快船號(hào)任務(wù)正式結(jié)束后很久才到達(dá)。

如上文所述，天線的信號(hào)傳輸距離將長(zhǎng)達(dá)9億千米。一般來說，效率較低的天線需要更大的表面積，才能傳輸更遠(yuǎn)的距離。不過，由于著陸器上方不會(huì)有一臺(tái)具有大型中繼天線的軌道飛行器，而且它本身也不夠大，無法容納大天線，因此它需要一款傳輸效率不低于80%的小型天線，比大多數(shù)太空天線的效率要高得多。 所以，我們所面臨的挑戰(zhàn)是：天線不能太大，因?yàn)槟菢拥脑挘懫骶吞亓?。出于同樣的原因，它的效率也不能太低，因?yàn)槿绻枰嗟碾娏Γ蔷托枰嫶蟮?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/4675/" target="_blank">電力系統(tǒng)。而且它還必須在木星的大量輻射下生存。根據(jù)最后這一點(diǎn)要求，天線即便無法完全由金屬制成，也必須大部分由金屬制成，這樣更能抵抗電離輻射。

我們最終開發(fā)的天線依靠了一項(xiàng)關(guān)鍵創(chuàng)新：天線由圓極化的純鋁晶胞（稍后詳述）構(gòu)成，每個(gè)晶胞都可以在X波段頻率上發(fā)送和接收信號(hào)（具體來說，上行7.145~7.19千兆赫，下行8.4~8.45千兆赫）。整個(gè)天線是由這些晶胞組成的陣列，每側(cè)32個(gè)，總共1024個(gè)。天線尺寸為82.5厘米×82.5厘米，可以安裝在一臺(tái)中等大小的著陸器上，它與地球之間的下行速率可以達(dá)到33千比特/秒，效率為80%。

包括作者在內(nèi)的天線研究小組在檢查天線的一個(gè)子陣列。每個(gè)金色的正方形是天線的一個(gè)晶胞。

為了更好地理解這種天線的工作原理，我們可以更仔細(xì)地看一下上文所述的晶胞。圓極化常用于空間通信。很多人可能更熟悉線極化，它通常用于地面無線信號(hào)；我們可以想象一下這樣一個(gè)信號(hào)以二維正弦波的形式在一段距離內(nèi)傳播，比如說，與地面垂直或水平。而圓極化以三維螺旋的形式傳播。這種螺旋模式使圓極化在外太空通信中非常有用，因?yàn)槁菪摹皺M截面”較大，不需要發(fā)射器和接收器精確排列。正如我們想象的那樣，在7.5億公里的距離上一直保持超精確排列幾乎是不可能的。圓極化還有一個(gè)額外的好處，那就是當(dāng)它到達(dá)地球時(shí)，它對(duì)地球的天氣不是很敏感。比如，雨會(huì)使線極化信號(hào)比圓極化信號(hào)衰減得更快。

包括作者在內(nèi)(前排左)的JPL實(shí)驗(yàn)室的工程師們與木衛(wèi)二著陸器的概念模型合影。該模型包括了一些必要的技術(shù)開發(fā)，例如頂部的天線和可以應(yīng)對(duì)不平坦地形的腿。

如前所述，每個(gè)晶胞均完全由鋁制成。早期同樣使用較小元件單元的天線陣列將陶瓷或玻璃等介電材料用作絕緣體。遺憾的是，介電材料也容易受到木星電離輻射的影響。隨著時(shí)間的推移，輻射會(huì)在材料上形成電荷，而正因?yàn)樗鼈兪墙^緣體，所以這些電荷無處可去，直到最后通過靜電放電釋放出去，而靜電放電會(huì)損壞硬件，所以我們不能采用這種材料。

如前文所述，金屬對(duì)電離輻射的抵抗力更強(qiáng)，但問題在于它們不是絕緣體，所以完全由金屬制成的天線仍然面臨靜電放電損壞其元件的風(fēng)險(xiǎn)。為了解決這個(gè)問題，我們將每個(gè)單元設(shè)計(jì)成單點(diǎn)饋電?！梆佋础笔翘炀€與無線電發(fā)射器和接收器之間的連接。通常，圓極化天線需要兩個(gè)垂直饋源來控制信號(hào)的產(chǎn)生，但是，通過細(xì)致的工程設(shè)計(jì)和使用一種名為“遺傳算法”的自動(dòng)優(yōu)化方法，我們開發(fā)出了一種形狀精確的單一饋源來完成工作。同時(shí)，我們還使用了一根比較大的金屬柱接地，以保護(hù)每個(gè)饋源不受靜電放電的影響。 晶胞被放置在16×16的子陣列中，總共4個(gè)子陣列。每個(gè)子陣列都有一個(gè)“懸浮空氣板線”，傳輸線懸浮在兩個(gè)接地層之間，將兩個(gè)接地層之間的間隙變成了一個(gè)絕緣介質(zhì)。然后，我們可以通過板線安全地傳輸電力，同時(shí)還可以保護(hù)板線不受可能積聚在陶瓷或玻璃等電介質(zhì)上的放電的影響。此外，懸浮空氣板線損耗低，很適合我們所需的高效率天線設(shè)計(jì)。

組裝起來后，新天線設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了3點(diǎn)：效率高、可處理大量電力，且對(duì)溫度波動(dòng)不是很敏感。放棄傳統(tǒng)的介電材料轉(zhuǎn)而采用空氣板線和純鋁設(shè)計(jì)使我們的效率更高。它也是一個(gè)相控陣列，這意味著它使用了一組較小的天線來產(chǎn)生可操控的緊密聚焦信號(hào)。這種陣列的本質(zhì)是每個(gè)獨(dú)立單元只需要處理總傳輸功率的一小部分。因此，雖然每個(gè)單元只能處理極少的電力，但每個(gè)子陣列可以處理超過6千瓦的功率。這仍然很低，比火星漫游車的兆瓦級(jí)傳輸功率要低得多，但對(duì)于前文所述的適度下行速率來說已經(jīng)足夠了。最后，由于天線是用金屬制成的，所以它會(huì)隨著溫度的變化而均勻地膨脹和收縮。事實(shí)上，我們之所以選擇鋁，原因之一就是因?yàn)檫@種金屬不會(huì)隨著溫度的變化而膨脹或收縮太多。

最初向木衛(wèi)二著陸器項(xiàng)目提出這個(gè)天線概念時(shí)，我的想法受到了質(zhì)疑。太空探索通常是一項(xiàng)非常需要規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的活動(dòng)，其理由很充分——飛行任務(wù)成本高昂，一個(gè)錯(cuò)誤就能讓任務(wù)夭折。因此，人們不太可能會(huì)考慮新技術(shù)，而是會(huì)采用久經(jīng)考驗(yàn)的方法。不過這次情況不同，因?yàn)闆]有新天線設(shè)計(jì)，就永遠(yuǎn)不會(huì)有木衛(wèi)二任務(wù)。因此，我和團(tuán)隊(duì)被批準(zhǔn)去證明這種天線可以發(fā)揮作用。

? 天線的設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試只花了6個(gè)月的時(shí)間。一般而言，新的空間技術(shù)的開發(fā)周期通常是以年為單位的。我們?nèi)〉昧顺錾某晒?。雖然我們的天線比其他天線更小、更輕，但它在發(fā)送和接收頻段上都達(dá)到了80%的效率閾值。它也不需要精巧的常平架來幫它指向地球。相反，天線的子陣列可充當(dāng)相控陣，能夠在不改變天線方向的情況下形成信號(hào)方向。 為了證明天線的成功度，我們對(duì)它進(jìn)行了一系列極端環(huán)境測(cè)試，包括一些專門針對(duì)木衛(wèi)二非典型環(huán)境的測(cè)試。 其中一項(xiàng)測(cè)試是熱循環(huán)。在這項(xiàng)測(cè)試中，我們將天線放置在一個(gè)稱為熱處理室的房間中，并在低至-170℃和高達(dá)150℃的大范圍內(nèi)調(diào)整溫度。我們將天線置于多個(gè)溫度周期中，在每個(gè)周期開始之前、期間和之后測(cè)量其傳輸能力。天線通過了這項(xiàng)測(cè)試，沒有出現(xiàn)任何問題。

像進(jìn)入太空的所有硬件一樣，天線還需要證明其抗振動(dòng)能力。發(fā)射過程中，火箭及其攜帶到太空的所有物品都會(huì)發(fā)生劇烈振動(dòng)，這意味著，我們要確保任何升空的物品不會(huì)在途中散架。為了進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，我們把整個(gè)天線裝到了振動(dòng)臺(tái)上。我們?cè)谔炀€的不同位置放置了加速計(jì)，以確定天線是否能經(jīng)得住振動(dòng)。在整個(gè)測(cè)試過程中，我們將振動(dòng)增加到了接近發(fā)射的程度。 熱循環(huán)和振動(dòng)測(cè)試是任何航天器硬件都需要通過的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，但正如上文所述，木衛(wèi)二的挑戰(zhàn)性環(huán)境需要一些額外的非標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。我們通常會(huì)在消聲室里做一些天線測(cè)試。消聲室的房間墻面上有一些楔形物辨，這些楔形物可吸收信號(hào)反射。通過消除局部反射的干擾，消聲室能夠幫助我們確定天線在超長(zhǎng)距離的信號(hào)傳播情況。可以說，消聲室模擬的是一個(gè)廣闊的開放空間，因此我們可以測(cè)量信號(hào)的傳播情況，并推斷它在更長(zhǎng)距離內(nèi)的傳播情況。

每個(gè)晶胞均為純鋁制成。它們可以讓不需要的方向上的信號(hào)彼此抵消并增強(qiáng)期望的方向的信號(hào)，以共同生成可操控的信號(hào)。

這個(gè)特殊的消聲室測(cè)試很有趣，因?yàn)樗窃诔蜏叵逻M(jìn)行的。由于無法讓整個(gè)房間都變得非常寒冷，因此我們把天線放進(jìn)一個(gè)密封的泡沫箱里。泡沫對(duì)天線的無線電傳輸來說是透明的，所以從實(shí)際測(cè)試的角度來看，泡沫相當(dāng)于不存在。不過，把泡沫箱與充滿液氮的換熱板相連，我們就可以將其內(nèi)部溫度降低到-170℃。令我們高興的是，我們發(fā)現(xiàn)，即使在那樣寒冷的溫度下，這種天線也具有強(qiáng)大的遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸能力。

天線必須在低溫( -170°C )下通過信號(hào)測(cè)試，以確定它可以在木衛(wèi)二寒冷的表面上按預(yù)期工作。由于不可能將整個(gè)消聲室的溫度降到低溫水平，所以天線被密封在了一個(gè)白色泡沫箱中。

最后一項(xiàng)不同尋常的天線測(cè)試是用電子轟炸來模擬木星的強(qiáng)輻射。我們使用了JPL的高頻高壓電子加速器，讓天線在短時(shí)間內(nèi)承受它在整個(gè)生命周期中將經(jīng)受的所有電離輻射劑量。換言之，天線在加速器中待兩天所受到的輻射量相當(dāng)于前往木衛(wèi)二的6到7年之旅加上在木衛(wèi)二表面待40天所受到的輻射量之和。和消聲室測(cè)試一樣，我們也在盡可能接近木衛(wèi)二表面條件的低溫環(huán)境下進(jìn)行了這項(xiàng)測(cè)試。

之所以要進(jìn)行電子轟炸測(cè)試，是因?yàn)槲覀儞?dān)心木星的電離輻射會(huì)在天線連接著陸器其他通信硬件的端口處引起危險(xiǎn)的靜電放電。理論上，這種放電危險(xiǎn)會(huì)隨著天線暴露在電離輻射下的時(shí)間增加而加劇。如果發(fā)生放電，不僅會(huì)損壞天線，還會(huì)損壞通信系統(tǒng)更深處的硬件，甚至可能還會(huì)損壞著陸器的其他地方。幸好，我們?cè)跍y(cè)試期間沒有測(cè)量到任何放電，這說明天線在前往木衛(wèi)二的旅途中和在木衛(wèi)二表面工作時(shí)都能生存下來。

我們是為木衛(wèi)二設(shè)計(jì)和測(cè)試的這種天線，但我們相信它也可以用于太陽(yáng)系其他地方的任務(wù)。我們已經(jīng)在針對(duì)JPL/ESA聯(lián)合火星采樣返回任務(wù)進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整，顧名思義，該任務(wù)會(huì)把火星巖石、土壤和大氣樣本帶回地球。目前，這項(xiàng)任務(wù)計(jì)劃于2026年啟動(dòng)。我們認(rèn)為，我們的天線設(shè)計(jì)是一種更穩(wěn)健的替代方案，可以用于未來的每一臺(tái)火星著陸器或漫游車，它可以將數(shù)據(jù)速率提高到目前天線設(shè)計(jì)的4到16倍。我們也可以將它用于未來的月球任務(wù)，提供高數(shù)據(jù)速率。

雖然當(dāng)前還沒有獲得批準(zhǔn)的木衛(wèi)二登陸任務(wù)，但如果有了相關(guān)任務(wù)，我們就會(huì)在JPL做好準(zhǔn)備。其他工程師也在開展執(zhí)行木衛(wèi)二任務(wù)所需要的不同項(xiàng)目。例如，有的工程師開發(fā)了一種新型多足著陸系統(tǒng)，可以在不確定或不穩(wěn)定的地面上安全著陸。其他工程師制造了一種“導(dǎo)流板”（belly pan），可以保護(hù)脆弱的硬件免受木衛(wèi)二的寒冷氣候影響。還有一些工程師正在致力于開發(fā)智能著陸系統(tǒng)、耐輻射電池等。不過，天線可能仍然是最重要的系統(tǒng)，因?yàn)闆]有它，著陸器將無法傳達(dá)其他系統(tǒng)的工作情況。如果沒有能夠正常運(yùn)行的天線，著陸器將永遠(yuǎn)無法告訴我們木衛(wèi)二上是否存在有生命的鄰居。

作者：Nacer E.Chahat

編輯：黃飛

?