了解空間天線以及中國星載天線的成長史

1月3日，嫦娥四號(hào)探測器成功軟著陸月球，月球背面迎來人類第一個(gè)軟著陸探測器。在嫦娥四號(hào)成功著陸背面的背后有一個(gè)值得一提的“功臣”——“鵲橋”中繼衛(wèi)星。

深空探測任務(wù)中難度最大的就是如何確保遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信鏈路的可靠建立，實(shí)現(xiàn)航天器和地面的實(shí)時(shí)通信聯(lián)絡(luò)，這也是世界各國都在致力解決的深空探測關(guān)鍵核心技術(shù)。而月球背面的通信問題一直是困擾人類登陸月球背面不可逾越的“鴻溝”，通過發(fā)射中繼衛(wèi)星為航天器和地球搭建天地通信鏈路，是一種較為常見的做法。

“鵲橋”是我國首顆，也是世界首顆地球軌道外專用中繼通信衛(wèi)星。作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，它能夠?qū)崟r(shí)的把在月面背面著陸的嫦娥四號(hào)探測器發(fā)出的科學(xué)數(shù)據(jù)第一時(shí)間傳回地球。

人類深空探測任務(wù)史上最大口徑通信天線

中繼星“鵲橋”上架設(shè)了一副展開后口徑達(dá)近5米的傘狀天線，這是人類深空探測器歷史上攜帶的最大口徑通信天線，它為“鵲橋”和地球之間鋪設(shè)了一架宏偉的高速橋梁，讓遙遠(yuǎn)的星地距離變?yōu)榇蟮劳ㄍ荆繒r(shí)每刻將寶貴的科學(xué)數(shù)據(jù)從廣邈的外太空實(shí)時(shí)送達(dá)地球。

為了實(shí)現(xiàn)和保障“鵲橋”中繼功能的順利實(shí)現(xiàn)，研制人員給它配備了多副天線。其中，大口徑傘狀天線是最關(guān)鍵的一副，它直接指向月球，將與今年要發(fā)射的嫦娥四號(hào)探測器對接，不僅要將地面的測控指令說給探測器聽，還要聽清楚探測器給中繼星說了些啥。傘天線，顧名思義，像一把傘一樣，在中繼星與火箭分離一段時(shí)間后，這把“傘”就打開了，這把“傘”在太空中需要經(jīng)歷嚴(yán)酷的考驗(yàn)。嫦娥四號(hào)中繼星在浩瀚的太空中還會(huì)經(jīng)歷一段沒有光照的陰影區(qū)，陰影區(qū)的溫度是-200℃左右，最冷的地方將達(dá)到-230℃，在如此嚴(yán)寒下，傘天線全身都“凍僵了”。為了讓它從“凍僵”的狀態(tài)中恢復(fù)過來，研究院的設(shè)計(jì)師們做了包括力學(xué)、熱學(xué)等不計(jì)其數(shù)的試驗(yàn)，有效保障了傘天線能夠克服嚴(yán)酷環(huán)境。

下面和小編一起來了解空間天線以及中國星載天線的成長史。

天線，是我們?nèi)粘Ｉ钪泻艹Ｒ姷囊环N通訊設(shè)備裝置，在我們頭頂上的那片神秘太空，也有天線的存在。這些天線主要裝在衛(wèi)星、飛船等航天器上，用于航天器與地面的雙向信息傳遞。

衛(wèi)星距離地面幾萬公里甚至幾十萬、幾百萬公里，與地面的各種交流都是通過電磁波實(shí)現(xiàn)的。而電磁波在穿越星際的過程中會(huì)有損耗，為了讓衛(wèi)星清楚的聽到地面的指令，清晰將星上信息傳回，研制人員給衛(wèi)星裝上了天線?？梢哉f，天線是衛(wèi)星的“順風(fēng)耳”或者“擴(kuò)音器”。天線已成為任何一個(gè)航天器不可或缺的重要組成部分，航天器天線影響并制約著整個(gè)無線通信系統(tǒng)乃至整個(gè)航天器的性能和功能。

在我國研制發(fā)射的航天器中，80%以上的有效載荷系統(tǒng)的天線都是由中國空間技術(shù)研究院所屬的空間電子信息技術(shù)研究院研制的。據(jù)該院天線專家吳春邦介紹，他們?yōu)槲覈兄屏说谝桓笨臻g可展開網(wǎng)狀天線、第一副空間相控陣天線、第一副星載遙感相控陣天線、第一副星載智能天線、第一副星載數(shù)傳相控陣天線、第一副星載導(dǎo)航相控陣天線。

從20世紀(jì)六十年代至今，我國的空間天線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了三次技術(shù)跨越：

線天線時(shí)期（20世紀(jì)六十年代至八十年代）

▲東方紅一號(hào)線天線

這一時(shí)期，我國進(jìn)行了早期的通信衛(wèi)星研制，當(dāng)時(shí)的通信衛(wèi)星通信容量較小，以廣播服務(wù)為主，服務(wù)范圍較廣，衛(wèi)星的經(jīng)濟(jì)效益還不明顯，對天線的要求并不高，主要以喇叭天線、振子天線為主。我國第一顆人造衛(wèi)星東方紅一號(hào)用的鞭狀桿天線就是線天線的一種。

面天線時(shí)期（20世紀(jì)九十年代至本世紀(jì)初）

▲中星6A衛(wèi)星賦形反射面天線

進(jìn)入上世紀(jì)九十年代，隨著商用通信衛(wèi)星的起步發(fā)展，衛(wèi)星通信容量逐漸增大，為提高天線增益和區(qū)域覆蓋能力，反射面天線得到了快速發(fā)展。通過對反射面進(jìn)行賦形優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對不同地區(qū)的靈活覆蓋；同時(shí)引入機(jī)構(gòu)組件使天線具有轉(zhuǎn)動(dòng)功能，實(shí)現(xiàn)了覆蓋區(qū)的靈活機(jī)動(dòng)掃描。我國發(fā)射的大多數(shù)衛(wèi)星中，都有面天線，例如北斗導(dǎo)航衛(wèi)星、中星系列部分通信衛(wèi)星、神舟飛船的中繼終端等等。

大發(fā)展時(shí)期（近十年來）

進(jìn)入本世紀(jì)后，隨著我國綜合國力的增強(qiáng)，國產(chǎn)衛(wèi)星家族不斷龐大，包括通信衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星、載人飛船、深空探測器等各類航天器，對天線也提出了越來越高的要求。

為了在不增加衛(wèi)星承載能力的前提下進(jìn)一步提升衛(wèi)星通信容量或探測能力，空間天線有了陣列技術(shù)、多波束技術(shù)和大型可展開反射器技術(shù)等眾多新技術(shù)。

陣列技術(shù)是指把許多線天線按照一定規(guī)律排布在一起，極大地提高了天線在收發(fā)電磁波信號(hào)時(shí)的抗干擾能力，提高了衛(wèi)星的在軌可靠性。

多波束技術(shù)通過一副或多副天線形成數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)波束覆蓋某一特定區(qū)域，通過衛(wèi)星在地面上形成了類似地面移動(dòng)通信領(lǐng)域的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，極大的提高了衛(wèi)星的通信容量。我國第一顆高通量衛(wèi)星——實(shí)踐十三號(hào)采用的就是多波束天線。

▲實(shí)踐十三號(hào)多波束天線

大型可展開反射器技術(shù)使天線隨衛(wèi)星發(fā)射前收攏成較小體積，衛(wèi)星入軌后天線在地面指令控制下展開并形成一張巨大的天線網(wǎng)，為航天器天線的創(chuàng)意性和前瞻性設(shè)計(jì)提供了無限可能。采用了大型可展開反射器技術(shù)后，通信衛(wèi)星可獲得更高的通信容量，導(dǎo)航衛(wèi)星可提高定位精度，遙感衛(wèi)星可提高對地觀測精度，深空探測器可飛往遙遠(yuǎn)的月球、火星甚至太陽系邊緣。

▲嫦娥四號(hào)中繼星“鵲橋”傘狀天線

2018年5月21日發(fā)射的嫦娥四號(hào)中繼衛(wèi)星上架設(shè)了一副口徑近5米的傘狀天線，這副天線屬于大型可展開天線，這是人類深空探測器歷史上攜帶的最大口徑通信天線。