微型立方体卫星的强大天线

　　这项挑战是这样开始的
　　2014年11月的一天早晨，我在喷气推进实验室（JPL，位于美国加州帕萨迪纳）的同事卡玛尔·奥德瑞（Kamal Oudrhiri）突然闯入我的办公室，提出了一个诱人的建议。一颗全新的人造卫星正在朝火星进发。该卫星将搭载NASA的＂洞察力＂（InSight）火星着陆器，可在着陆器进入火星区域、降落并着陆时的关键环节实时向地球传回数据。奥德瑞解释道：＂我们必须达到每秒8千比特的传输速率，但功率有限，唯一的希望是采用大型天线，不过这颗卫星的体积只有公文包那么大。＂
　　这颗火星探测卫星被称为立方体卫星（CubeSat），此前还没有体积如此小的卫星飞跃过近地轨道。其发射时，天线需要收起来，并且天线体积只有约830立方厘米。此后不久，天线展开，体积达到卫星大小的3倍。经过1.6亿公里的飞行后抵达火星，其间要经历发射时的剧烈震荡及外层空间的极端温度。知道难度有多大了吧？
　　幸运的是，我和诸位同事热爱挑战，很高兴能有机会把立方体卫星技术推向极限。对从事地球影像与观测的研究者及新兴公司而言，这些微型航天器已成为最常用的飞船。与传统卫星相比，这些卫星造价较为低廉且体积小，仅重几公斤，只需要几个月的准备即可进行发射，而不像标准航天器那样需要花费数年的时间进行准备。随着时间的推移，得益于摩尔定律在电子工业领域的进展，立方体卫星可搭载的传感器和程序处理功能变得日益强大、精密，重量更轻，且高效节能。
　　但在通信方面，  立方体卫星小巧的体积却是一个不利因素。尤其是我们很难做到为这些卫星配备足够大的天线，来满足高数据速率和高分辨率雷达。所以这些微型卫星只能局限于地球轨道，无法推进地球轨道之外的科学前沿探索。如果我们能找到某种方法，为立方体卫星配备强大的高增益天线，也就能开创众多崭新的研究和探索机遇。围绕地球轨道的立方体卫星最终将能进行基于雷达的科学研究，如测量气流及降水量。利用高数据速率天线，立方体卫星将可以扩大探索疆域，去探索太阳系。
　　经过几年的不懈努力，JPL天线研究小组最终用两种不同的方式解决了这一难题。在一个名为＂立方体卫星雷达＂（Radarin a CubeSat，又称RainCube）的项目中，我们设计了一种可展开的天线，卫星到达轨道后，这种天线会像一把伞一样展开。另一个名为＂火星立方体-1＂（又叫作MarCO）的项目计划于今年5月份发射，我们创造了一种能在立方体卫星表面展开的平板天线。我们的成功促使NASA开始考虑通过这些微型平台来执行那些曾一度被认为只能通过大型传统卫星才能执行的任务。我们的天线技术已获得专利并授权给了数个商业太空公司。下面将详述我们如何完成了这项在许多人看来难比登天的工程壮举，以及在此过程中所获得的认识。
　　立方体卫星并不是唯一的微型卫星，  但这类卫星的适应性最强，也受到了广泛关注。其基本构件是边长仅为10厘米的立方体，重量最多为1公斤出头。这些＂一个单元＂（1U）的立方体能按需接合在一起；常见变体由3个、6个或12个立方体构成。
　　美国斯坦福大学和加州理工州立大学的工程师们于1999年首次研发了立方体卫星，作为一种帮助学生亲自动手设计、制造、发射并操作卫星的方式。自那以后，各种各样的立方体卫星子系统投入使用，并成为专业任务的通用工具。
　　首先，这类卫星能被迅速安装。在JPL,从开始规划到完成设计、组装和测试，我们仅用时10至12个月，而对更大型的、模块较少的航天器而言，这一过程却需要3年甚至更长的时间。
　　当然，重达数千公斤的传统卫星能承载比微型立方体卫星更多的仪器。但对于有特定目的的任务，立方体卫星是一种经济实惠并颇具吸引力的选择。而且，发射立方体卫星群能提升航天器的时间分辨率，相较于大型航天器，对同一区域的遥感更加频繁。在我们新型天线的帮助下，利用RainCube和MarCo执行各种任务不仅是可行的，而且非常明智。
　　顾名思义，  创建RainCube的目的是观测天气。它的雷达能帮助NASA研究降水量并改进天气预报的模式。科学家们计划发射一系列此类卫星，以此获得的时间分辨率比单独一颗大型卫星所能提供的更高。
　　这类微型雷达装置的体积仅相当于一个麦片盒的大小（按立方体卫星的说法是6U）。这个小盒须容纳电源系统、计算机、控制系统及其他所有器件。就如同任意一个麦片盒，这个盒子也需要空间来盛放最重要的物品：雷达。RainCube的主要研究者伊娃•佩拉尔(Eva Peral)通过一系列有独创性的工程设计，按数量级缩小并简化了雷达装置。然而，当其他器件装入装置后，仍仅为雷达及其天线留出了1/4的空间。
　　卫星将通过抛物面天线发送和接收雷达信号。主抛物面天线将会把这些信号反射到一个名为子反射器的装置中，该装置将把这些信号传送至＂喇叭天线＂，再从那里传输至雷达电路系统中。在450至500千米的海拔高度上，RainCube的雷达将探测其所穿越过的云层，因此只需一个0.5米宽的天线即能获得10千米宽的雷达覆盖区域。然而，在展开之前，需要把天线折叠成一个体积为10厘米 10厘米 15厘米的小方盒。雷达以35.75千兆赫的频率运行，这意味着这个反射器展开的精确度必须极高，形状偏差不超过200微米。
　　很显然，我们要克服一些棘手的设计挑战。在经过激烈的头脑风暴后，由乔纳森•尚德（Jonathan Sauder）、马克•汤姆森（Mark Thomson）、理查德•霍奇思（Richard Hodges）、 叶海亚•拉赫马特-萨米（Yahya Rahmat-Sami）以及我本人组成的RainCube天线研究小组，选定了一种天线，这种天线的工作原理就好像把伞装入盒子里一样。在限定了可利用体积的条件下，这种方法是最简单的解决方案。
　　当伞打开时，伞骨向外伸展，直至伞面被拉紧。RainCube的天线以同样的方式进行工作：在展开时，一系列伞骨把天线拉成适合发送和接收信号的形状。伞骨的数量决定了这一形状的精密度和准确度。如果我们仅使用3根（绝对最小值）伞骨，就能形成一个三面的金字塔形；虽然理论上，大量的伞骨能够形成精准的天线抛物面，但是添加更多的伞骨也增大了展开时出错的可能性。
　　我们最终确定Raincube伞骨的最佳数量是30根。这一数量能提供足够精确的抛物面，同时将展开失败的风险降至最低。为了进一步提高雷达天线系统的整体精确度，工程师们设计了副反射器来反映30根伞骨组成的天线的形状，包括与理想状态的微小偏差以及聚焦雷达的精确性。副反射器的调谐使雷达的效能提高了6%，进而使雷达的信噪比改进了12%。
　　需要重新考虑的不仅仅是天线的模型。在可展开的结构中，通常将喇叭天线嵌入卫星主体，从而得到射频信号。但是在RainCube使用的Ka频段，电缆会损耗过多的信号。因此JPL的工程师们设计了一种由空心金属管组成的波导管，信号可通过该金属管传播，该波导管是固定的，天线的其他部分则沿着它滑行并展开。
　　RainCube的伞状设计很巧妙，但空间环境是对机电系统的一大挑战。在发射过程中，天线要经受发射过程中的剧烈振动以及所在轨道的巨大温度变化——当立方体卫星进出地球阴影时，通常内部组件的温差为-20 C至85 C。在太空中，即使是一个小组件的故障也能导致整个任务的失败，NASA工程师们非常清楚这一点。
　　RainCube的天线与伽利略探测器上由18根伞骨组成的高增益天线具有明显的相似之处，而伽利略探测器天线于1991年展开失败了。但我们的RainCube天线具有一大优势。不同于伽利略探测器上4.8米宽的天线，RainCube的天线很小，可以在真空室内进行测试，因此我们进行了各种情况下的试验。实际上，在第一次振动试验后，其中一根伞骨未能展开，研究小组通过跟踪一条弹簧发现了设计缺陷。我们重新设计该部件之后，天线顺利通过所有测试，现已准备好发射，最早可在今年5月份进行。成功发射将成为具有分水岭意义的重大事件，为所有搭载科学实验的立方体卫星进入地球轨道开辟道路。
　　很难想象，  像立方体卫星一样微小且复杂的装置能在茫茫的星际空间遨游。尽管如此，我们仍期望如公文包大小的两个立方体卫星能在今年担当此任。孪生MarCO卫星将于2018年5月搭载NASA的＂洞察力＂着陆器升空，成为首批进入太空深部的此类卫星。孪生立方体卫星将于11月份到达火星，将帮助着陆器与地球上的NASA外层空间网络之间进行实时通信，并与自2006年开始在轨运行的火星勘测轨道器（MRO）一起运行。
　　MarCO立方体卫星通过使用超高频环形天线，可接收＂洞察力＂着陆器在登陆、降落和着陆时的数据。每个卫星的软件定义无线电将通过频率更高的X波段穿越1.6亿公里的星际空间把数据发送回地球，由深空网络天线（每个天线宽70米）接收。考虑到立方体卫星无线电有限的射频输出功率，这类微型卫星的天线需要33.5厘米 60厘米的孔径，才能建立以8千比特/秒传输的无线电线路。
　　理想的情况是，MarCO立方体卫星具备同RainCube一样的抛物面天线，但却没有容纳空间。研究小组只能使用航天器有效载荷空间的4%，且载荷重量必须控制在1千克之内。这还不够，方案还要求我们仅使用立方体卫星的一边。MarCO紧张的进度表——从天线研制到在航天器上集成仅有9个月时间——意味着我们没有足够的时间设计定制元件。所以在可行的情况下，我们依靠现成的元件进行简化设计。
　　我们创建了名为反射阵列的平面天线，包含一个由3部分组成的控制面板，从航天器的一侧翻动出来，并在弹簧铰链的推动下打开。随着控制面板自航天器的主体弹出，天线的喇叭也会伸出，围绕着连接器转动。天线的平坦表面上分布着反射图案，可以仿照抛物面天线的方式，朝着地球的方向集中信号。
　　MarCO发射时，很可能携带首批反射阵列进入深空。如果该项任务成功，我们将会看到更多的立方体卫星发挥类似作用。例如，现在来自火星探测器和着陆器的数据只能通过MRO这类比较大的航天器转发回地球。未来的立方体卫星将能进入火星轨道，以更低的成本协助转发这些数据。
　　RainCube和MarCO使用的天线除了用于特定任务外，  还能发挥更多作用。实际上，我们的研究小组已根据同样的原理研发了更大型的可展开天线。下一步的＂一米反射阵＂（OMERA）天线是一个边长为1米的正方形反射阵列。我们相信这类天线可用于太空通信以及类似RainCube且分辨率更高的轨道器。
　　对立方体卫星和其他小型卫星而言，这是一个令人兴奋的时代，未来还将会取得更多进展。NASA计划取代航天飞机的首飞——＂探索任务1＂，将搭载13个立方体卫星。一些立方体卫星将探访月球，另一些则飞向深空，但所有这些微型航天器都将有一个共同特点：能够支持大科学研究的小型天线。
　　作者：NacerE. Chahat