|
JPL的全金属设计可承受木卫二的恶劣环境。
木卫二（也叫“欧罗巴”）是木星的伽利略卫星之一，其液态水含量至少是地球海洋的两倍。据估计，其中有一片深40到100英里（60到150千米）的海洋跨越整个卫星，被封在十几千米厚的冰面下。唯一能够证明这片海洋存在的直接证据是偶尔从冰缝中喷发出的水柱，这些水柱可喷射到距离冰面200千米的高空。
木卫二无边无垠且阳光照射不到，听起来可能异常惨淡凄凉。然而，它却是最有希望找到地外生命的星球之一。要设计一台能够在如此恶劣的环境下生存的机器人着陆器，需要在某种程度上重新考量它的所有系统，包括可以说是最重要的通信系统。毕竟，即使着陆器的其余部分能完美地运行，但如果无线电或天线断裂，我们就永远失去这台着陆器了。
我是美国国家航空航天局（NASA）喷气推进实验室（JPL）的一名高级天线工程师。最终，当JPL开始认真考虑木卫二着陆器任务时，我们意识到，天线是其中的一个限制因素。当地球和木星处于最大分离点时，天线需要维持一条横跨5.5亿多英里（9亿千米）直达地球的链路。天线必须具有足够的抗辐射能力，才能在木星电离粒子的冲击下生存下来，而且还不能太重或太大，否则会在起飞和着陆时危及着陆器。挑战摆在面前时，有一位同事说这是不可能的。不管怎样，我们还是制造出了这样一种天线，虽然它是为木卫二设计的，但这是一项革命性的设计，我们已经顺利地将其用于以太阳系其他目的地为目标的未来任务中了。
目前，唯一计划向木卫二发射的是快船号轨道飞行器，这是NASA的一项飞行任务，将研究木卫二的化学成分和地质情况，可能于2024年启动。快船号还将为以后可能开展的着陆器登陆木卫二的任务进行勘测。此时，任何这样的着陆器都是概念性的。不过，NASA仍然资助了一个木卫二着陆器概念，因为要想成功地在这个冰封世界完成任务，我们需要开发一些关键性的新技术。木卫二和我们以前尝试登陆过的任何地方都不一样。
到目前为止，唯一探索过外太阳系的着陆器是欧洲航天局（ESA）的惠更斯号着陆器。2005年，它搭载卡西尼号轨道飞行器成功降落在了土星卫星土卫六上。我们的着陆器及其天线主要参照火星着陆器设计。
传统上，为火星任务设计的着陆器（和漫游车）依靠的是高数据速率的中继轨道器将科学数据及时传回地球。火星勘测轨道飞行器和火星奥德赛等轨道器都使用了大型抛物面天线与地球通信，它们的功率很高（约100兆瓦）。虽然毅力号和好奇号漫游车也有直接对地天线，但它们体积小，功率低（约25瓦），效率不高。这些天线主要用于传输漫游车的状态和其他低数据速率更新。这些现有的直接对地天线根本无法胜任从木卫二到地球的通信任务。
此外，木卫二与火星不同，它几乎没有大气层，因此着陆器无法使用降落伞或空气阻力来减速。相反，着陆器需要完全依靠火箭来刹车和安全着陆。这种需要限制了它的尺寸，它太重了，因为发射和着陆都需要非常多的燃料。例如，一个中等尺寸、400千克重的着陆器需要的火箭和燃料重量之和在10到15吨之间。此外，在最后登陆木星并在木星强大的磁场所产生的强辐射环境中工作之前，着陆器还需要在外太空飞行六七年。
我们也无法在木卫二着陆器的上方设计一台轨道器来中继信号，因为增加一台轨道器很容易使任务成本过高。即使在着陆器到达时快船号仍能奇迹般地正常工作，我们也不会进行这样的假设，因为着陆器会在快船号任务正式结束后很久才到达。
如上文所述，天线的信号传输距离将长达9亿千米。一般来说，效率较低的天线需要更大的表面积，才能传输更远的距离。不过，由于着陆器上方不会有一台具有大型中继天线的轨道飞行器，而且它本身也不够大，无法容纳大天线，因此它需要一款传输效率不低于80%的小型天线，比大多数太空天线的效率要高得多。
所以，我们所面临的挑战是：天线不能太大，因为那样的话，着陆器就太重了。出于同样的原因，它的效率也不能太低，因为如果需要更多的电力，那就需要庞大的电力系统。而且它还必须在木星的大量辐射下生存。根据最后这一点要求，天线即便无法完全由金属制成，也必须大部分由金属制成，这样更能抵抗电离辐射。
我们最终开发的天线依靠了一项关键创新：天线由圆极化的纯铝晶胞（稍后详述）构成，每个晶胞都可以在X波段频率上发送和接收信号（具体来说，上行7.145~7.19千兆赫，下行8.4~8.45千兆赫）。整个天线是由这些晶胞组成的阵列，每侧32个，总共1024个。天线尺寸为82.5厘米×82.5厘米，可以安装在一台中等大小的着陆器上，它与地球之间的下行速率可以达到33千比特/秒，效率为80%。
为了更好地理解这种天线的工作原理，我们可以更仔细地看一下上文所述的晶胞。圆极化常用于空间通信。很多人可能更熟悉线极化，它通常用于地面无线信号；我们可以想象一下这样一个信号以二维正弦波的形式在一段距离内传播，比如说，与地面垂直或水平。而圆极化以三维螺旋的形式传播。这种螺旋模式使圆极化在外太空通信中非常有用，因为螺旋的“横截面”较大，不需要发射器和接收器精确排列。正如我们想象的那样，在7.5亿公里的距离上一直保持超精确排列几乎是不可能的。圆极化还有一个额外的好处，那就是当它到达地球时，它对地球的天气不是很敏感。比如，雨会使线极化信号比圆极化信号衰减得更快。
如前所述，每个晶胞均完全由铝制成。早期同样使用较小元件单元的天线阵列将陶瓷或玻璃等介电材料用作绝缘体。遗憾的是，介电材料也容易受到木星电离辐射的影响。随着时间的推移，辐射会在材料上形成电荷，而正因为它们是绝缘体，所以这些电荷无处可去，直到最后通过静电放电释放出去，而静电放电会损坏硬件，所以我们不能采用这种材料。
如前文所述，金属对电离辐射的抵抗力更强，但问题在于它们不是绝缘体，所以完全由金属制成的天线仍然面临静电放电损坏其元件的风险。为了解决这个问题，我们将每个单元设计成单点馈电。“馈源”是天线与无线电发射器和接收器之间的连接。通常，圆极化天线需要两个垂直馈源来控制信号的产生，但是，通过细致的工程设计和使用一种名为“遗传算法”的自动优化方法，我们开发出了一种形状精确的单一馈源来完成工作。同时，我们还使用了一根比较大的金属柱接地，以保护每个馈源不受静电放电的影响。
晶胞被放置在16×16的子阵列中，总共4个子阵列。每个子阵列都有一个“悬浮空气板线”，传输线悬浮在两个接地层之间，将两个接地层之间的间隙变成了一个绝缘介质。然后，我们可以通过板线安全地传输电力，同时还可以保护板线不受可能积聚在陶瓷或玻璃等电介质上的放电的影响。此外，悬浮空气板线损耗低，很适合我们所需的高效率天线设计。
组装起来后，新天线设计实现了3点：效率高、可处理大量电力，且对温度波动不是很敏感。放弃传统的介电材料转而采用空气板线和纯铝设计使我们的效率更高。它也是一个相控阵列，这意味着它使用了一组较小的天线来产生可操控的紧密聚焦信号。这种阵列的本质是每个独立单元只需要处理总传输功率的一小部分。因此，虽然每个单元只能处理极少的电力，但每个子阵列可以处理超过6千瓦的功率。这仍然很低，比火星漫游车的兆瓦级传输功率要低得多，但对于前文所述的适度下行速率来说已经足够了。最后，由于天线是用金属制成的，所以它会随着温度的变化而均匀地膨胀和收缩。事实上，我们之所以选择铝，原因之一就是因为这种金属不会随着温度的变化而膨胀或收缩太多。
最初向木卫二着陆器项目提出这个天线概念时，我的想法受到了质疑。太空探索通常是一项非常需要规避风险的活动，其理由很充分——飞行任务成本高昂，一个错误就能让任务夭折。因此，人们不太可能会考虑新技术，而是会采用久经考验的方法。不过这次情况不同，因为没有新天线设计，就永远不会有木卫二任务。因此，我和团队被批准去证明这种天线可以发挥作用。
天线的设计、制造和测试只花了6个月的时间。一般而言，新的空间技术的开发周期通常是以年为单位的。我们取得了出色的成果。虽然我们的天线比其他天线更小、更轻，但它在发送和接收频段上都达到了80%的效率阈值。它也不需要精巧的常平架来帮它指向地球。相反，天线的子阵列可充当相控阵，能够在不改变天线方向的情况下形成信号方向。
为了证明天线的成功度，我们对它进行了一系列极端环境测试，包括一些专门针对木卫二非典型环境的测试。
其中一项测试是热循环。在这项测试中，我们将天线放置在一个称为热处理室的房间中，并在低至-170℃和高达150℃的大范围内调整温度。我们将天线置于多个温度周期中，在每个周期开始之前、期间和之后测量其传输能力。天线通过了这项测试，没有出现任何问题。
像进入太空的所有硬件一样，天线还需要证明其抗振动能力。发射过程中，火箭及其携带到太空的所有物品都会发生剧烈振动，这意味着，我们要确保任何升空的物品不会在途中散架。为了进行振动测试，我们把整个天线装到了振动台上。我们在天线的不同位置放置了加速计，以确定天线是否能经得住振动。在整个测试过程中，我们将振动增加到了接近发射的程度。
热循环和振动测试是任何航天器硬件都需要通过的标准测试，但正如上文所述，木卫二的挑战性环境需要一些额外的非标准测试。我们通常会在消声室里做一些天线测试。消声室的房间墙面上有一些楔形物辨，这些楔形物可吸收信号反射。通过消除局部反射的干扰，消声室能够帮助我们确定天线在超长距离的信号传播情况。可以说，消声室模拟的是一个广阔的开放空间，因此我们可以测量信号的传播情况，并推断它在更长距离内的传播情况。
这个特殊的消声室测试很有趣，因为它是在超低温下进行的。由于无法让整个房间都变得非常寒冷，因此我们把天线放进一个密封的泡沫箱里。泡沫对天线的无线电传输来说是透明的，所以从实际测试的角度来看，泡沫相当于不存在。不过，把泡沫箱与充满液氮的换热板相连，我们就可以将其内部温度降低到-170℃。令我们高兴的是，我们发现，即使在那样寒冷的温度下，这种天线也具有强大的远距离信号传输能力。
最后一项不同寻常的天线测试是用电子轰炸来模拟木星的强辐射。我们使用了JPL的高频高压电子加速器，让天线在短时间内承受它在整个生命周期中将经受的所有电离辐射剂量。换言之，天线在加速器中待两天所受到的辐射量相当于前往木卫二的6到7年之旅加上在木卫二表面待40天所受到的辐射量之和。和消声室测试一样，我们也在尽可能接近木卫二表面条件的低温环境下进行了这项测试。
之所以要进行电子轰炸测试，是因为我们担心木星的电离辐射会在天线连接着陆器其他通信硬件的端口处引起危险的静电放电。理论上，这种放电危险会随着天线暴露在电离辐射下的时间增加而加剧。如果发生放电，不仅会损坏天线，还会损坏通信系统更深处的硬件，甚至可能还会损坏着陆器的其他地方。幸好，我们在测试期间没有测量到任何放电，这说明天线在前往木卫二的旅途中和在木卫二表面工作时都能生存下来。
我们是为木卫二设计和测试的这种天线，但我们相信它也可以用于太阳系其他地方的任务。我们已经在针对JPL/ESA联合火星采样返回任务进行设计调整，顾名思义，该任务会把火星岩石、土壤和大气样本带回地球。目前，这项任务计划于2026年启动。我们认为，我们的天线设计是一种更稳健的替代方案，可以用于未来的每一台火星着陆器或漫游车，它可以将数据速率提高到目前天线设计的4到16倍。我们也可以将它用于未来的月球任务，提供高数据速率。
虽然当前还没有获得批准的木卫二登陆任务，但如果有了相关任务，我们就会在JPL做好准备。其他工程师也在开展执行木卫二任务所需要的不同项目。例如，有的工程师开发了一种新型多足着陆系统，可以在不确定或不稳定的地面上安全着陆。其他工程师制造了一种“导流板”（belly pan），可以保护脆弱的硬件免受木卫二的寒冷气候影响。还有一些工程师正在致力于开发智能着陆系统、耐辐射电池等。不过，天线可能仍然是最重要的系统，因为没有它，着陆器将无法传达其他系统的工作情况。如果没有能够正常运行的天线，着陆器将永远无法告诉我们木卫二上是否存在有生命的邻居。
| 
提升卡
变色卡
千斤顶
