没有天线能在木卫二恶劣的放射性环境中生存——直到现在

木卫二是木星的一颗伽利略卫星，火星上的液态水是地球海洋的两倍，甚至更多。这片海洋估计在40到100英里(60到150公里)的深度横跨整个月球，被锁在十几公里厚的冰层表面之下。海洋存在的唯一直接证据是偶尔从冰缝中喷出的水柱，喷射到距离地面200公里的高空．

木卫二上无边无际、没有阳光、波涛汹涌的海洋听起来可能令人震惊地荒凉。然而，它是最有希望找到地外生命的候选者之一。设计一个能够在如此恶劣的条件下生存的机器人着陆器，在某种程度上需要重新思考它的所有系统，包括可以说是最重要的通信系统。毕竟，即使着陆器的其他部分工作完美无缺，如果无线电或天线坏了，着陆器就永远失去了。

最终，当NASA喷气推进实验室(喷气推进实验室)，我在那里高级天线工程师当我们开始认真考虑木卫二着陆器任务时，我们意识到天线是限制因素。当地球和木星距离最大时，天线需要在超过5.5亿英里(9亿公里)的距离上保持直接与地球的连接。天线必须具有足够的抗辐射强度，以抵御来自木星的电离粒子的冲击，而且天线不能太重或太大，否则会在着陆器起飞和着陆时危及着陆器。当我们把挑战摆在面前时，一位同事说这是不可能的。不管怎样，我们建造了这样一个天线——尽管它是为木卫二设计的，但这是一个足够革命性的设计，我们已经成功地在未来的太阳系其他目的地的任务中实施了它。

目前唯一的计划木卫二任务是最重要的限幅器轨道飞行器,一个美国国家航空航天局该任务将研究月球的化学和地质可能在2024年发射．克利伯还将为日后可能在木卫二上发射着陆器的任务进行侦察。目前，任何这样的着陆器都是概念性的。然而，美国宇航局仍然为木卫二着陆器的概念提供资金，因为我们需要开发一些至关重要的新技术，才能在冰冷的世界上成功执行任务。木卫二不同于我们之前尝试着陆的任何地方。

天线团队，包括作者(右)，正在检查天线的一个子阵列。每个金色的正方形是天线中的一个单元格。NASA的姓名

作为背景，到目前为止唯一探索外太阳系的着陆器是欧洲航天局的惠更斯探测器．它成功降落到土星的卫星土卫六2005年被卡西尼号轨道飞行器携带。我们设计着陆器及其天线的很多参考框架都来自火星着陆器。

传统上，为火星任务设计的着陆器(和漫游者)依赖于中继轨道器，具有高数据速率，以便及时将科学数据传回地球。这些轨道飞行器，比如火星勘测轨道飞行器而且火星奥德赛号美国有巨大的抛物线天线，使用大量的功率，大约100瓦，与地球通信。而毅力而且好奇心火星车也有直接对地天线，它们很小，耗电少(约25瓦)，效率不高。这些天线主要用于传输漫游者的状态和其他低数据更新。这些现有的直接对地天线根本无法完成从木卫二一路通信的任务。

此外，与火星不同的是，木卫二几乎没有大气层，所以登陆者不能使用降落伞或空气阻力来减速。相反，着陆器将完全依赖火箭制动和安全着陆。这种必要性限制了它的大小——太重了，而且发射和着陆都需要太多的燃料。例如，一个400公斤的中等大小的着陆器需要一个火箭和燃料，总重量在10到15吨之间。然后，着陆器需要在深空旅行中生存6到7年，才能最终着陆并在木星强大磁场产生的强烈辐射中工作。

我们也不能假设木卫二着陆器的头顶上会有一个轨道飞行器来传递信号，因为增加一个轨道飞行器很容易让这项任务变得过于昂贵。即使当着陆器到达时，克利伯仍能奇迹般地运行，我们也不会假设情况会是这样，因为着陆器会在克利伯的官方任务结束日期之后很久到达。

喷气推进实验室的工程师，包括作者(左下一排)，摆出欧罗巴着陆器概念模型。该模型包括几项必要的技术发展，包括顶部的天线和可以应对不平坦地形的支架。NASA的姓名

我之前提到过，天线需要将信号传输到9亿公里。一般来说，效率较低的天线需要更大的表面积来传输更远的距离。但由于着陆器的头顶上不会有一个带有大型中继天线的轨道飞行器，而且它本身也不够大，无法安装大型天线，所以它需要一个传输效率为80%或更高的小天线——比大多数空间天线效率更高。

所以，重申一下这个挑战:天线不能太大，因为那样着陆器就太重了。出于同样的原因，它不可能效率低下，因为需要更多的电力将需要庞大的电力系统。它需要在来自木星的大量辐射中生存下来。最后一点要求天线必须大部分(如果不是全部)由金属制成，因为金属对电离辐射的抵抗力更强。

我们最终开发出的天线依赖于一项关键的创新:天线由圆极化、纯铝单元组成(稍后会详细介绍)，每个单元可以在x波段频率上发送和接收(具体来说，上行链路为7.145至7.19千兆赫，下行链路为8.4至8.45千兆赫)。整个天线是由这些单元单元组成的阵列，每边32个，总共1024个。天线是32.5 × 32.5英寸(82.5 × 82.5厘米)，可以安装在一个中等大小的着陆器上，它可以以80%的效率实现每秒33千比特的地球下行速率。

让我们仔细看看我提到的单位细胞，以更好地理解这种天线是如何工作的。圆偏振通常用于空间通信。你可能更熟悉线偏振，它通常用于地面无线信号;你可以想象这样一个信号以二维正弦波的形式传播一段距离，它的方向是相对于地面的垂直或水平方向。圆极化以三维螺旋的形式传播。这种螺旋结构使得圆偏振在深空通信中非常有用，因为螺旋结构更大的“横截面”不需要发射机和接收机精确对齐。正如你所想象的，在近7.5亿公里的距离上进行超精确的对准几乎是不可能的。圆偏振的另一个好处是，当地球的天气到来时，它对地球的天气不那么敏感。例如，雨水使线极化信号比圆极化信号衰减得更快。

这张8 × 8天线子阵列的爆炸图显示了单元单元(顶层)一起工作以产生可操纵的信号波束，以及夹在天线外壳之间的三层功率分配器。NASA的姓名

如前所述，每个单元格完全由铝制成。早期的天线阵列同样使用较小的组件单元，包括陶瓷或玻璃等介电材料来充当绝缘体。不幸的是，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，辐射会在材料上积聚电荷，而正是因为它们是绝缘体，所以电荷无处可去——直到它最终以破坏硬件的静电放电形式释放出来。所以我们不能使用它们。

如前所述，金属对电离辐射更有弹性。问题是它们不是绝缘体，所以完全由金属制成的天线仍然有静电放电损坏其组件的风险。我们解决了这个问题，通过设计每个单元在一个点上被喂食。“馈电”是天线与无线电发射机和接收机之间的连接。通常，圆极化天线需要两个垂直馈电来控制信号的产生。但是通过一些精心的工程和使用一种自动优化，叫做遗传算法，我们开发了一种精确形状的单一饲料，可以完成这项工作。同时，一个相对较大的金属柱作为地面，以保护每个馈电免受静电放电。

单元格被放置在8乘8的小子数组中，总共16个子数组。每个子阵列都被我们称为悬浮空气带状线的东西馈送，其中传输线悬浮在两个地平面之间，将中间的间隙变成介电绝缘体。这样，我们就可以安全地通过带状线传输电力，同时还能保护线路免受在陶瓷或玻璃等电介质上积聚的放电。此外，悬浮空气带线损耗低，这是我们想要的高效天线设计的完美选择。

总的来说，新的天线设计实现了三件事:它是高效的，它可以处理大量的电力，它对温度波动不太敏感。除去传统的介电材料，采用空气带线和纯铝设计，使我们获得了高效率。这也是一个相控阵这意味着它使用一组较小的天线来产生可控制的、紧密聚焦的信号。这种阵列的本质是每个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几瓦，但每个子阵列可以处理超过100瓦。最后，由于天线是由金属制成的，它会随着温度的变化而均匀地膨胀和收缩。事实上，我们选择铝的原因之一是因为这种金属不会随着温度的变化而膨胀或收缩。

8 × 8子阵列的功率分配器将信号功率分割成每个单元电池可以容忍而不损坏的分数。NASA的姓名

当我最初向木卫二着陆器项目提出这个天线概念时，我遭到了质疑。太空探索通常是一项非常规避风险的努力，这是有原因的——太空探索任务非常昂贵，一个错误就可能过早地结束任务。出于这个原因，新技术可能会被摒弃，取而代之的是可靠的方法。但这次的情况不同，因为如果没有新的天线设计，木卫二任务就永远不会进行。我和我的其他团队成员被允许证明天线可以工作。

设计、制造和测试天线只用了6个月。具体来说，一项新的太空技术的典型开发周期是以年为单位的。结果非常出色。我们的天线在发送和接收频段上都达到了80%的效率阈值，尽管它比其他天线更小更轻。

为了证明我们的天线有多成功，我们对它进行了一系列极端环境测试，包括一些针对木卫二非典型环境的特定测试。

一个测试是我们所说的热循环。在这个测试中，我们把天线放在一个叫做热室的房间里，并在一个很大的范围内调节温度——低至-170℃，高至150℃。我们将天线置于多个温度周期中，在每个周期之前、期间和之后测量其发射能力。天线通过测试，没有任何问题。

每个单元格都是纯铝的。总的来说，它们通过在不想要的方向上抵消彼此的信号，并在想要的方向上加强信号，来创建一个可操纵的信号。NASA的姓名

天线还需要像任何进入太空的硬件一样，展示抗振动的弹性。火箭——以及它们携带到太空的所有东西——在发射过程中会剧烈震动，这意味着我们需要确保升空的任何东西都不会在旅途中解体。为了进行振动测试，我们将整个天线加载到振动台上。我们在天线的不同位置上使用了加速度计，以确定它是在振动下保持不变还是破裂。在测试过程中，我们将振动调高到接近发射的程度。

热循环和振动测试是任何航天器硬件的标准测试，但正如我提到的，木卫二具有挑战性的环境需要一些额外的非标准测试。我们通常在暗室里对天线做一些测试。你可能会认为消声室是那些带有楔形覆盖表面的房间，以吸收任何信号反射。消声室使我们能够通过消除局部反射的干扰来确定天线信号在极远距离上的传播。一种思考方法是，消声室模拟了一个宽阔的开放空间，所以我们可以测量信号的传播，并推断出它在更远的距离上会是什么样子。

让这个特殊的暗室测试有趣的是，它也是在超低温下进行的。我们无法让整个舱室都这么冷，所以我们把天线放在一个密封的泡沫盒里。泡沫对天线的无线电传输是透明的，所以从实际测试的角度来看，它不存在。但通过将泡沫盒连接到充满液氮的热交换板上，我们可以将其内部的温度降低到-170℃。令我们高兴的是，我们发现即使在如此寒冷的温度下，天线也具有强大的远程信号传播能力。

这个天线的最后一个不同寻常的测试是用电子轰击它，以模拟木星的强烈辐射。我们用喷气推进实验室的电子加速器为了使天线在较短的时间内承受天线在其生命周期内所看到的全部电离辐射剂量。换句话说，在加速器中两天的时间里，天线所受到的辐射与它在木卫二六到七年的旅行中所受到的辐射相同，再加上在木卫二表面上长达40天的辐射。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下进行了这项测试。

天线必须通过低温(-170°C)下的信号测试，以确认它能在木卫二寒冷的表面上正常工作。由于不可能将整个消声室的温度降至低温水平，天线被密封在一个白色泡沫盒中。NASA的姓名

进行电子轰击测试的原因是我们担心木星的电离辐射会在天线的端口造成危险的静电放电，天线连接到着陆器的其他通信硬件。从理论上讲，这种放电的危险随着天线暴露在电离辐射下的时间的增加而增加。如果发生放电，不仅会损坏天线，还会损坏通信系统更深的硬件，甚至可能损坏着陆器的其他地方。值得庆幸的是，我们在测试过程中没有测量到任何放电，这证实了天线可以在前往木卫二和在木卫二上工作的过程中存活下来。

我们设计并测试这是木卫二的天线，但我们相信它可以用于太阳系其他地方的任务。我们已经在调整喷气推进实验室和欧空局的联合设计火星样本返回顾名思义，该任务将把火星岩石、土壤和大气样本带回地球。该任务目前已确定2026年发射．我们认为我们的天线设计没有理由不能用于每一个未来的火星着陆器或探测器上，作为一个更强大的替代方案，它还可以将数据传输速率提高4到16倍于当前天线设计。我们还可以在未来的月球任务中使用它来提供高数据速率。

虽然木卫二着陆器任务尚未得到批准，但一旦发生，我们喷气推进实验室将做好准备。其他工程师也在进行不同的项目，这些项目也是完成这项任务所必需的。例如，一些人已经开发了一种新的多足着陆系统，可以在不确定或不稳定的表面安全着陆。还有人发明了一种“平底锅”，可以保护脆弱的硬件免受木卫二寒冷的影响。还有一些人致力于智能着陆系统、耐辐射电池等等。但天线可能仍然是最重要的系统，因为没有它，着陆器就无法与其他系统的工作情况进行通信。没有工作天线，着陆器将永远无法告诉我们木卫二上是否有活人邻居。

本文发表在2021年8月的印刷版上，题为“为冰冷的放射性地狱制造的天线”。

在编辑过程中，本文引入了一些错误，并已于2021年7月27日更正。我们最初错误地描述了火星轨道器和木卫二天线设计所使用的电量，以及每个子阵列中的单元单元数量。我们还错误地认为木卫二天线的设计不需要万向节，也不需要重新定位才能与地球保持联系。