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這項挑戰是這樣開(kāi)始的
2014年11月的一天早晨，我在噴氣推進(jìn)實(shí)驗室（JPL，位于美國加州帕薩迪納）的同事卡瑪爾·奧德瑞（Kamal Oudrhiri）突然闖入我的辦公室，提出了一個(gè)誘人的建議。一顆全新的人造衛星正在朝火星進(jìn)發(fā)。該衛星將搭載NASA的洞察力（InSight）火星著(zhù)陸器，可在著(zhù)陸器進(jìn)入火星區域、降落并著(zhù)陸時(shí)的關(guān)鍵環(huán)節實(shí)時(shí)向地球傳回數據。奧德瑞解釋道：我們必須達到每秒8千比特的傳輸速率，但功率有限，唯一的希望是采用大型天線(xiàn)，不過(guò)這顆衛星的體積只有公文包那么大。
這顆火星探測衛星被稱(chēng)為立方體衛星（CubeSat），此前還沒(méi)有體積如此小的衛星飛躍過(guò)近地軌道。其發(fā)射時(shí)，天線(xiàn)需要收起來(lái)，并且天線(xiàn)體積只有約830立方厘米。此后不久，天線(xiàn)展開(kāi)，體積達到衛星大小的3倍。經(jīng)過(guò)1.6億公里的飛行后抵達火星，其間要經(jīng)歷發(fā)射時(shí)的劇烈震蕩及外層空間的極端溫度。知道難度有多大了吧？
幸運的是，我和諸位同事熱愛(ài)挑戰，很高興能有機會(huì )把立方體衛星技術(shù)推向極限。對從事地球影像與觀(guān)測的研究者及新興公司而言，這些微型航天器已成為最常用的飛船。與傳統衛星相比，這些衛星造價(jià)較為低廉且體積小，僅重幾公斤，只需要幾個(gè)月的準備即可進(jìn)行發(fā)射，而不像標準航天器那樣需要花費數年的時(shí)間進(jìn)行準備。隨著(zhù)時(shí)間的推移，得益于摩爾定律在電子工業(yè)領(lǐng)域的進(jìn)展，立方體衛星可搭載的傳感器和程序處理功能變得日益強大、精密，重量更輕，且高效節能。
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但在通信方面，立方體衛星小巧的體積卻是一個(gè)不利因素。尤其是我們很難做到為這些衛星配備足夠大的天線(xiàn)，來(lái)滿(mǎn)足高數據速率和高分辨率雷達。所以這些微型衛星只能局限于地球軌道，無(wú)法推進(jìn)地球軌道之外的科學(xué)前沿探索。如果我們能找到某種方法，為立方體衛星配備強大的高增益天線(xiàn)，也就能開(kāi)創(chuàng )眾多嶄新的研究和探索機遇。圍繞地球軌道的立方體衛星最終將能進(jìn)行基于雷達的科學(xué)研究，如測量氣流及降水量。利用高數據速率天線(xiàn)，立方體衛星將可以擴大探索疆域，去探索太陽(yáng)系。
經(jīng)過(guò)幾年的不懈努力，JPL天線(xiàn)研究小組最終用兩種不同的方式解決了這一難題。在一個(gè)名為立方體衛星雷達（Radarin a CubeSat，又稱(chēng)RainCube）的項目中，我們設計了一種可展開(kāi)的天線(xiàn)，衛星到達軌道后，這種天線(xiàn)會(huì )像一把傘一樣展開(kāi)。另一個(gè)名為火星立方體-1（又叫作MarCO）的項目計劃于今年5月份發(fā)射，我們創(chuàng )造了一種能在立方體衛星表面展開(kāi)的平板天線(xiàn)。我們的成功促使NASA開(kāi)始考慮通過(guò)這些微型平臺來(lái)執行那些曾一度被認為只能通過(guò)大型傳統衛星才能執行的任務(wù)。我們的天線(xiàn)技術(shù)已獲得專(zhuān)利并授權給了數個(gè)商業(yè)太空公司。下面將詳述我們如何完成了這項在許多人看來(lái)難比登天的工程壯舉，以及在此過(guò)程中所獲得的認識。
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立方體衛星并不是唯一的微型衛星，但這類(lèi)衛星的適應性最強，也受到了廣泛關(guān)注。其基本構件是邊長(cháng)僅為10厘米的立方體，重量最多為1公斤出頭。這些一個(gè)單元（1U）的立方體能按需接合在一起；常見(jiàn)變體由3個(gè)、6個(gè)或12個(gè)立方體構成。
美國斯坦福大學(xué)和加州理工州立大學(xué)的工程師們于1999年首次研發(fā)了立方體衛星，作為一種幫助學(xué)生親自動(dòng)手設計、制造、發(fā)射并操作衛星的方式。自那以后，各種各樣的立方體衛星子系統投入使用，并成為專(zhuān)業(yè)任務(wù)的通用工具。
首先，這類(lèi)衛星能被迅速安裝。在JPL,從開(kāi)始規劃到完成設計、組裝和測試，我們僅用時(shí)10至12個(gè)月，而對更大型的、模塊較少的航天器而言，這一過(guò)程卻需要3年甚至更長(cháng)的時(shí)間。
當然，重達數千公斤的傳統衛星能承載比微型立方體衛星更多的儀器。但對于有特定目的的任務(wù)，立方體衛星是一種經(jīng)濟實(shí)惠并頗具吸引力的選擇。而且，發(fā)射立方體衛星群能提升航天器的時(shí)間分辨率，相較于大型航天器，對同一區域的遙感更加頻繁。在我們新型天線(xiàn)的幫助下，利用RainCube和MarCo執行各種任務(wù)不僅是可行的，而且非常明智。
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顧名思義，創(chuàng )建RainCube的目的是觀(guān)測天氣。它的雷達能幫助NASA研究降水量并改進(jìn)天氣預報的模式?？茖W(xué)家們計劃發(fā)射一系列此類(lèi)衛星，以此獲得的時(shí)間分辨率比單獨一顆大型衛星所能提供的更高。
這類(lèi)微型雷達裝置的體積僅相當于一個(gè)麥片盒的大?。ò戳⒎襟w衛星的說(shuō)法是6U）。這個(gè)小盒須容納電源系統、計算機、控制系統及其他所有器件。就如同任意一個(gè)麥片盒，這個(gè)盒子也需要空間來(lái)盛放最重要的物品：雷達。RainCube的主要研究者伊娃?佩拉爾(Eva Peral)通過(guò)一系列有獨創(chuàng )性的工程設計，按數量級縮小并簡(jiǎn)化了雷達裝置。然而，當其他器件裝入裝置后，仍?xún)H為雷達及其天線(xiàn)留出了1/4的空間。
衛星將通過(guò)拋物面天線(xiàn)發(fā)送和接收雷達信號。主拋物面天線(xiàn)將會(huì )把這些信號反射到一個(gè)名為子反射器的裝置中，該裝置將把這些信號傳送至喇叭天線(xiàn)，再從那里傳輸至雷達電路系統中。在450至500千米的海拔高度上，RainCube的雷達將探測其所穿越過(guò)的云層，因此只需一個(gè)0.5米寬的天線(xiàn)即能獲得10千米寬的雷達覆蓋區域。然而，在展開(kāi)之前，需要把天線(xiàn)折疊成一個(gè)體積為10厘米×10厘米×15厘米的小方盒。雷達以35.75千兆赫的頻率運行，這意味著(zhù)這個(gè)反射器展開(kāi)的精確度必須極高，形狀偏差不超過(guò)200微米。
很顯然，我們要克服一些棘手的設計挑戰。在經(jīng)過(guò)激烈的頭腦風(fēng)暴后，由喬納森?尚德（Jonathan Sauder）、馬克?湯姆森（Mark Thomson）、理查德?霍奇思（Richard Hodges）、 葉海亞?拉赫馬特-薩米（Yahya Rahmat-Sami）以及我本人組成的RainCube天線(xiàn)研究小組，選定了一種天線(xiàn)，這種天線(xiàn)的工作原理就好像把傘裝入盒子里一樣。在限定了可利用體積的條件下，這種方法是最簡(jiǎn)單的解決方案。
當傘打開(kāi)時(shí)，傘骨向外伸展，直至傘面被拉緊。RainCube的天線(xiàn)以同樣的方式進(jìn)行工作：在展開(kāi)時(shí)，一系列傘骨把天線(xiàn)拉成適合發(fā)送和接收信號的形狀。傘骨的數量決定了這一形狀的精密度和準確度。如果我們僅使用3根（絕對最小值）傘骨，就能形成一個(gè)三面的金字塔形；雖然理論上，大量的傘骨能夠形成精準的天線(xiàn)拋物面，但是添加更多的傘骨也增大了展開(kāi)時(shí)出錯的可能性。
我們最終確定Raincube傘骨的最佳數量是30根。這一數量能提供足夠精確的拋物面，同時(shí)將展開(kāi)失敗的風(fēng)險降至最低。為了進(jìn)一步提高雷達天線(xiàn)系統的整體精確度，工程師們設計了副反射器來(lái)反映30根傘骨組成的天線(xiàn)的形狀，包括與理想狀態(tài)的微小偏差以及聚焦雷達的精確性。副反射器的調諧使雷達的效能提高了6%，進(jìn)而使雷達的信噪比改進(jìn)了12%。
需要重新考慮的不僅僅是天線(xiàn)的模型。在可展開(kāi)的結構中，通常將喇叭天線(xiàn)嵌入衛星主體，從而得到射頻信號。但是在RainCube使用的Ka頻段，電纜會(huì )損耗過(guò)多的信號。因此JPL的工程師們設計了一種由空心金屬管組成的波導管，信號可通過(guò)該金屬管傳播，該波導管是固定的，天線(xiàn)的其他部分則沿著(zhù)它滑行并展開(kāi)。
RainCube的傘狀設計很巧妙，但空間環(huán)境是對機電系統的一大挑戰。在發(fā)射過(guò)程中，天線(xiàn)要經(jīng)受發(fā)射過(guò)程中的劇烈振動(dòng)以及所在軌道的巨大溫度變化——當立方體衛星進(jìn)出地球陰影時(shí)，通常內部組件的溫差為-20°C至85°C。在太空中，即使是一個(gè)小組件的故障也能導致整個(gè)任務(wù)的失敗，NASA工程師們非常清楚這一點(diǎn)。
RainCube的天線(xiàn)與伽利略探測器上由18根傘骨組成的高增益天線(xiàn)具有明顯的相似之處，而伽利略探測器天線(xiàn)于1991年展開(kāi)失敗了。但我們的RainCube天線(xiàn)具有一大優(yōu)勢。不同于伽利略探測器上4.8米寬的天線(xiàn)，RainCube的天線(xiàn)很小，可以在真空室內進(jìn)行測試，因此我們進(jìn)行了各種情況下的試驗。實(shí)際上，在第一次振動(dòng)試驗后，其中一根傘骨未能展開(kāi)，研究小組通過(guò)跟蹤一條彈簧發(fā)現了設計缺陷。我們重新設計該部件之后，天線(xiàn)順利通過(guò)所有測試，現已準備好發(fā)射，最早可在今年5月份進(jìn)行。成功發(fā)射將成為具有分水嶺意義的重大事件，為所有搭載科學(xué)實(shí)驗的立方體衛星進(jìn)入地球軌道開(kāi)辟道路。
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很難想象，像立方體衛星一樣微小且復雜的裝置能在茫茫的星際空間遨游。盡管如此，我們仍期望如公文包大小的兩個(gè)立方體衛星能在今年擔當此任。孿生MarCO衛星將于2018年5月搭載NASA的洞察力著(zhù)陸器升空，成為首批進(jìn)入太空深部的此類(lèi)衛星。孿生立方體衛星將于11月份到達火星，將幫助著(zhù)陸器與地球上的NASA外層空間網(wǎng)絡(luò )之間進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，并與自2006年開(kāi)始在軌運行的火星勘測軌道器（MRO）一起運行。
MarCO立方體衛星通過(guò)使用超高頻環(huán)形天線(xiàn)，可接收洞察力著(zhù)陸器在登陸、降落和著(zhù)陸時(shí)的數據。每個(gè)衛星的軟件定義無(wú)線(xiàn)電將通過(guò)頻率更高的X波段穿越1.6億公里的星際空間把數據發(fā)送回地球，由深空網(wǎng)絡(luò )天線(xiàn)（每個(gè)天線(xiàn)寬70米）接收?？紤]到立方體衛星無(wú)線(xiàn)電有限的射頻輸出功率，這類(lèi)微型衛星的天線(xiàn)需要33.5厘米×60厘米的孔徑，才能建立以8千比特/秒傳輸的無(wú)線(xiàn)電線(xiàn)路。
理想的情況是，MarCO立方體衛星具備同RainCube一樣的拋物面天線(xiàn)，但卻沒(méi)有容納空間。研究小組只能使用航天器有效載荷空間的4%，且載荷重量必須控制在1千克之內。這還不夠，方案還要求我們僅使用立方體衛星的一邊。MarCO緊張的進(jìn)度表——從天線(xiàn)研制到在航天器上集成僅有9個(gè)月時(shí)間——意味著(zhù)我們沒(méi)有足夠的時(shí)間設計定制元件。所以在可行的情況下，我們依靠現成的元件進(jìn)行簡(jiǎn)化設計。
我們創(chuàng )建了名為反射陣列的平面天線(xiàn)，包含一個(gè)由3部分組成的控制面板，從航天器的一側翻動(dòng)出來(lái)，并在彈簧鉸鏈的推動(dòng)下打開(kāi)。隨著(zhù)控制面板自航天器的主體彈出，天線(xiàn)的喇叭也會(huì )伸出，圍繞著(zhù)連接器轉動(dòng)。天線(xiàn)的平坦表面上分布著(zhù)反射圖案，可以仿照拋物面天線(xiàn)的方式，朝著(zhù)地球的方向集中信號。
MarCO發(fā)射時(shí)，很可能攜帶首批反射陣列進(jìn)入深空。如果該項任務(wù)成功，我們將會(huì )看到更多的立方體衛星發(fā)揮類(lèi)似作用。例如，現在來(lái)自火星探測器和著(zhù)陸器的數據只能通過(guò)MRO這類(lèi)比較大的航天器轉發(fā)回地球。未來(lái)的立方體衛星將能進(jìn)入火星軌道，以更低的成本協(xié)助轉發(fā)這些數據。
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RainCube和MarCO使用的天線(xiàn)除了用于特定任務(wù)外，還能發(fā)揮更多作用。實(shí)際上，我們的研究小組已根據同樣的原理研發(fā)了更大型的可展開(kāi)天線(xiàn)。下一步的一米反射陣（OMERA）天線(xiàn)是一個(gè)邊長(cháng)為1米的正方形反射陣列。我們相信這類(lèi)天線(xiàn)可用于太空通信以及類(lèi)似RainCube且分辨率更高的軌道器。
對立方體衛星和其他小型衛星而言，這是一個(gè)令人興奮的時(shí)代，未來(lái)還將會(huì )取得更多進(jìn)展。NASA計劃取代航天飛機的首飛——探索任務(wù)1，將搭載13個(gè)立方體衛星。一些立方體衛星將探訪(fǎng)月球，另一些則飛向深空，但所有這些微型航天器都將有一個(gè)共同特點(diǎn)：能夠支持大科學(xué)研究的小型天線(xiàn)。
作者：NacerE. Chahat