這項(xiàng)挑戰(zhàn)是這樣開始的

2014年11月的一天早晨，我在噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL，位于美國(guó)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(wèi)星正在朝火星進(jìn)發(fā)。該衛(wèi)星將搭載NASA的“洞察力”（InSight）火星著陸器，可在著陸器進(jìn)入火星區(qū)域、降落并著陸時(shí)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)向地球傳回?cái)?shù)據(jù)。奧德瑞解釋道：“我們必須達(dá)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，不過這顆衛(wèi)星的體積只有公文包那么大?！?/p>

這顆火星探測(cè)衛(wèi)星被稱為立方體衛(wèi)星（CubeSat），此前還沒有體積如此小的衛(wèi)星飛躍過近地軌道。其發(fā)射時(shí)，天線需要收起來，并且天線體積只有約830立方厘米。此后不久，天線展開，體積達(dá)到衛(wèi)星大小的3倍。經(jīng)過1.6億公里的飛行后抵達(dá)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(yùn)的是，我和諸位同事熱愛挑戰(zhàn)，很高興能有機(jī)會(huì)把立方體衛(wèi)星技術(shù)推向極限。對(duì)從事地球影像與觀測(cè)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(tǒng)衛(wèi)星相比，這些衛(wèi)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(zhǔn)備即可進(jìn)行發(fā)射，而不像標(biāo)準(zhǔn)航天器那樣需要花費(fèi)數(shù)年的時(shí)間進(jìn)行準(zhǔn)備。隨著時(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(wèi)星可搭載的傳感器和程序處理功能變得日益強(qiáng)大、精密，重量更輕，且高效節(jié)能。

但在通信方面，立方體衛(wèi)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(wèi)星配備足夠大的天線，來滿足高數(shù)據(jù)速率和高分辨率雷達(dá)。所以這些微型衛(wèi)星只能局限于地球軌道，無法推進(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(wèi)星配備強(qiáng)大的高增益天線，也就能開創(chuàng)眾多嶄新的研究和探索機(jī)遇。圍繞地球軌道的立方體衛(wèi)星最終將能進(jìn)行基于雷達(dá)的科學(xué)研究，如測(cè)量氣流及降水量。利用高數(shù)據(jù)速率天線，立方體衛(wèi)星將可以擴(kuò)大探索疆域，去探索太陽系。

經(jīng)過幾年的不懈努力，JPL天線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(wèi)星雷達(dá)”（Radarin a CubeSat，又稱RainCube）的項(xiàng)目中，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種可展開的天線，衛(wèi)星到達(dá)軌道后，這種天線會(huì)像一把傘一樣展開。另一個(gè)名為“火星立方體-1”（又叫作MarCO）的項(xiàng)目計(jì)劃于今年5月份發(fā)射，我們創(chuàng)造了一種能在立方體衛(wèi)星表面展開的平板天線。我們的成功促使NASA開始考慮通過這些微型平臺(tái)來執(zhí)行那些曾一度被認(rèn)為只能通過大型傳統(tǒng)衛(wèi)星才能執(zhí)行的任務(wù)。我們的天線技術(shù)已獲得專利并授權(quán)給了數(shù)個(gè)商業(yè)太空公司。下面將詳述我們?nèi)绾瓮瓿闪诉@項(xiàng)在許多人看來難比登天的工程壯舉，以及在此過程中所獲得的認(rèn)識(shí)。

立方體衛(wèi)星并不是唯一的微型衛(wèi)星，但這類衛(wèi)星的適應(yīng)性最強(qiáng)，也受到了廣泛關(guān)注。其基本構(gòu)件是邊長(zhǎng)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；常見變體由3個(gè)、6個(gè)或12個(gè)立方體構(gòu)成。

美國(guó)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(wèi)星，作為一種幫助學(xué)生親自動(dòng)手設(shè)計(jì)、制造、發(fā)射并操作衛(wèi)星的方式。自那以后，各種各樣的立方體衛(wèi)星子系統(tǒng)投入使用，并成為專業(yè)任務(wù)的通用工具。

首先，這類衛(wèi)星能被迅速安裝。在JPL,從開始規(guī)劃到完成設(shè)計(jì)、組裝和測(cè)試，我們僅用時(shí)10至12個(gè)月，而對(duì)更大型的、模塊較少的航天器而言，這一過程卻需要3年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間。

當(dāng)然，重達(dá)數(shù)千公斤的傳統(tǒng)衛(wèi)星能承載比微型立方體衛(wèi)星更多的儀器。但對(duì)于有特定目的的任務(wù)，立方體衛(wèi)星是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠并頗具吸引力的選擇。而且，發(fā)射立方體衛(wèi)星群能提升航天器的時(shí)間分辨率，相較于大型航天器，對(duì)同一區(qū)域的遙感更加頻繁。在我們新型天線的幫助下，利用RainCube和MarCo執(zhí)行各種任務(wù)不僅是可行的，而且非常明智。

顧名思義，創(chuàng)建RainCube的目的是觀測(cè)天氣。它的雷達(dá)能幫助NASA研究降水量并改進(jìn)天氣預(yù)報(bào)的模式?？茖W(xué)家們計(jì)劃發(fā)射一系列此類衛(wèi)星，以此獲得的時(shí)間分辨率比單獨(dú)一顆大型衛(wèi)星所能提供的更高。

這類微型雷達(dá)裝置的體積僅相當(dāng)于一個(gè)麥片盒的大小（按立方體衛(wèi)星的說法是6U）。這個(gè)小盒須容納電源系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、控制系統(tǒng)及其他所有器件。就如同任意一個(gè)麥片盒，這個(gè)盒子也需要空間來盛放最重要的物品：雷達(dá)。RainCube的主要研究者伊娃?佩拉爾(Eva Peral)通過一系列有獨(dú)創(chuàng)性的工程設(shè)計(jì)，按數(shù)量級(jí)縮小并簡(jiǎn)化了雷達(dá)裝置。然而，當(dāng)其他器件裝入裝置后，仍僅為雷達(dá)及其天線留出了1/4的空間。

衛(wèi)星將通過拋物面天線發(fā)送和接收雷達(dá)信號(hào)。主拋物面天線將會(huì)把這些信號(hào)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(hào)傳送至“喇叭天線”，再?gòu)哪抢飩鬏斨晾走_(dá)電路系統(tǒng)中。在450至500千米的海拔高度上，RainCube的雷達(dá)將探測(cè)其所穿越過的云層，因此只需一個(gè)0.5米寬的天線即能獲得10千米寬的雷達(dá)覆蓋區(qū)域。然而，在展開之前，需要把天線折疊成一個(gè)體積為10厘米 10厘米 15厘米的小方盒。雷達(dá)以35.75千兆赫的頻率運(yùn)行，這意味著這個(gè)反射器展開的精確度必須極高，形狀偏差不超過200微米。

很顯然，我們要克服一些棘手的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。在經(jīng)過激烈的頭腦風(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天線研究小組，選定了一種天線，這種天線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(dāng)傘打開時(shí)，傘骨向外伸展，直至傘面被拉緊。RainCube的天線以同樣的方式進(jìn)行工作：在展開時(shí)，一系列傘骨把天線拉成適合發(fā)送和接收信號(hào)的形狀。傘骨的數(shù)量決定了這一形狀的精密度和準(zhǔn)確度。如果我們僅使用3根（絕對(duì)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(zhǔn)的天線拋物面，但是添加更多的傘骨也增大了展開時(shí)出錯(cuò)的可能性。

我們最終確定Raincube傘骨的最佳數(shù)量是30根。這一數(shù)量能提供足夠精確的拋物面，同時(shí)將展開失敗的風(fēng)險(xiǎn)降至最低。為了進(jìn)一步提高雷達(dá)天線系統(tǒng)的整體精確度，工程師們?cè)O(shè)計(jì)了副反射器來反映30根傘骨組成的天線的形狀，包括與理想狀態(tài)的微小偏差以及聚焦雷達(dá)的精確性。副反射器的調(diào)諧使雷達(dá)的效能提高了6%，進(jìn)而使雷達(dá)的信噪比改進(jìn)了12%。

需要重新考慮的不僅僅是天線的模型。在可展開的結(jié)構(gòu)中，通常將喇叭天線嵌入衛(wèi)星主體，從而得到射頻信號(hào)。但是在RainCube使用的Ka頻段，電纜會(huì)損耗過多的信號(hào)。因此JPL的工程師們?cè)O(shè)計(jì)了一種由空心金屬管組成的波導(dǎo)管，信號(hào)可通過該金屬管傳播，該波導(dǎo)管是固定的，天線的其他部分則沿著它滑行并展開。

RainCube的傘狀設(shè)計(jì)很巧妙，但空間環(huán)境是對(duì)機(jī)電系統(tǒng)的一大挑戰(zhàn)。在發(fā)射過程中，天線要經(jīng)受發(fā)射過程中的劇烈振動(dòng)以及所在軌道的巨大溫度變化——當(dāng)立方體衛(wèi)星進(jìn)出地球陰影時(shí)，通常內(nèi)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(dǎo)致整個(gè)任務(wù)的失敗，NASA工程師們非常清楚這一點(diǎn)。

RainCube的天線與伽利略探測(cè)器上由18根傘骨組成的高增益天線具有明顯的相似之處，而伽利略探測(cè)器天線于1991年展開失敗了。但我們的RainCube天線具有一大優(yōu)勢(shì)。不同于伽利略探測(cè)器上4.8米寬的天線，RainCube的天線很小，可以在真空室內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，因此我們進(jìn)行了各種情況下的試驗(yàn)。實(shí)際上，在第一次振動(dòng)試驗(yàn)后，其中一根傘骨未能展開，研究小組通過跟蹤一條彈簧發(fā)現(xiàn)了設(shè)計(jì)缺陷。我們重新設(shè)計(jì)該部件之后，天線順利通過所有測(cè)試，現(xiàn)已準(zhǔn)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(yàn)的立方體衛(wèi)星進(jìn)入地球軌道開辟道路。

很難想象，像立方體衛(wèi)星一樣微小且復(fù)雜的裝置能在茫茫的星際空間遨游。盡管如此，我們?nèi)云谕绻陌笮〉膬蓚€(gè)立方體衛(wèi)星能在今年擔(dān)當(dāng)此任。孿生MarCO衛(wèi)星將于2018年5月搭載NASA的“洞察力”著陸器升空，成為首批進(jìn)入太空深部的此類衛(wèi)星。孿生立方體衛(wèi)星將于11月份到達(dá)火星，將幫助著陸器與地球上的NASA外層空間網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，并與自2006年開始在軌運(yùn)行的火星勘測(cè)軌道器（MRO）一起運(yùn)行。

MarCO立方體衛(wèi)星通過使用超高頻環(huán)形天線，可接收“洞察力”著陸器在登陸、降落和著陸時(shí)的數(shù)據(jù)。每個(gè)衛(wèi)星的軟件定義無線電將通過頻率更高的X波段穿越1.6億公里的星際空間把數(shù)據(jù)發(fā)送回地球，由深空網(wǎng)絡(luò)天線（每個(gè)天線寬70米）接收。考慮到立方體衛(wèi)星無線電有限的射頻輸出功率，這類微型衛(wèi)星的天線需要33.5厘米 60厘米的孔徑，才能建立以8千比特/秒傳輸?shù)臒o線電線路。

理想的情況是，MarCO立方體衛(wèi)星具備同RainCube一樣的拋物面天線，但卻沒有容納空間。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(nèi)。這還不夠，方案還要求我們僅使用立方體衛(wèi)星的一邊。MarCO緊張的進(jìn)度表——從天線研制到在航天器上集成僅有9個(gè)月時(shí)間——意味著我們沒有足夠的時(shí)間設(shè)計(jì)定制元件。所以在可行的情況下，我們依靠現(xiàn)成的元件進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

我們創(chuàng)建了名為反射陣列的平面天線，包含一個(gè)由3部分組成的控制面板，從航天器的一側(cè)翻動(dòng)出來，并在彈簧鉸鏈的推動(dòng)下打開。隨著控制面板自航天器的主體彈出，天線的喇叭也會(huì)伸出，圍繞著連接器轉(zhuǎn)動(dòng)。天線的平坦表面上分布著反射圖案，可以仿照拋物面天線的方式，朝著地球的方向集中信號(hào)。

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(xiàng)任務(wù)成功，我們將會(huì)看到更多的立方體衛(wèi)星發(fā)揮類似作用。例如，現(xiàn)在來自火星探測(cè)器和著陸器的數(shù)據(jù)只能通過MRO這類比較大的航天器轉(zhuǎn)發(fā)回地球。未來的立方體衛(wèi)星將能進(jìn)入火星軌道，以更低的成本協(xié)助轉(zhuǎn)發(fā)這些數(shù)據(jù)。

RainCube和MarCO使用的天線除了用于特定任務(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(jù)同樣的原理研發(fā)了更大型的可展開天線。下一步的“一米反射陣”（OMERA）天線是一個(gè)邊長(zhǎng)為1米的正方形反射陣列。我們相信這類天線可用于太空通信以及類似RainCube且分辨率更高的軌道器。

對(duì)立方體衛(wèi)星和其他小型衛(wèi)星而言，這是一個(gè)令人興奮的時(shí)代，未來還將會(huì)取得更多進(jìn)展。NASA計(jì)劃取代航天飛機(jī)的首飛——“探索任務(wù)1”，將搭載13個(gè)立方體衛(wèi)星。一些立方體衛(wèi)星將探訪月球，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。

作者：NacerE. Chahat