了解空間天線以及中國星載天線的成長史

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

深空探測任務中難度最大的就是如何確保遠距離數(shù)據(jù)通信鏈路的可靠建立，實現(xiàn)航天器和地面的實時通信聯(lián)絡，這也是世界各國都在致力解決的深空探測關鍵核心技術。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的把在月面背面著陸的嫦娥四號探測器發(fā)出的科學數(shù)據(jù)第一時間傳回地球。

人類深空探測任務史上最大口徑通信天線

中繼星“鵲橋”上架設了一副展開后口徑達近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”和地球之間鋪設了一架宏偉的高速橋梁，讓遙遠的星地距離變?yōu)榇蟮劳ㄍ?，每時每刻將寶貴的科學數(shù)據(jù)從廣邈的外太空實時送達地球。

為了實現(xiàn)和保障“鵲橋”中繼功能的順利實現(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鍵的一副，它直接指向月球，將與今年要發(fā)射的嫦娥四號探測器對接，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間后，這把“傘”就打開了，這把“傘”在太空中需要經(jīng)歷嚴酷的考驗。嫦娥四號中繼星在浩瀚的太空中還會經(jīng)歷一段沒有光照的陰影區(qū)，陰影區(qū)的溫度是-200℃左右，最冷的地方將達到-230℃，在如此嚴寒下，傘天線全身都“凍僵了”。為了讓它從“凍僵”的狀態(tài)中恢復過來，研究院的設計師們做了包括力學、熱學等不計其數(shù)的試驗，有效保障了傘天線能夠克服嚴酷環(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現(xiàn)的。而電磁波在穿越星際的過程中會有損耗，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“順風耳”或者“擴音器”。天線已成為任何一個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無線通信系統(tǒng)乃至整個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研究院所屬的空間電子信息技術研究院研制的。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、第一副星載導航相控陣天線。

從20世紀六十年代至今，我國的空間天線技術實現(xiàn)了三次技術跨越：

線天線時期（20世紀六十年代至八十年代）

▲東方紅一號線天線

這一時期，我國進行了早期的通信衛(wèi)星研制，當時的通信衛(wèi)星通信容量較小，以廣播服務為主，服務范圍較廣，衛(wèi)星的經(jīng)濟效益還不明顯，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)星東方紅一號用的鞭狀桿天線就是線天線的一種。

面天線時期（20世紀九十年代至本世紀初）

▲中星6A衛(wèi)星賦形反射面天線

進入上世紀九十年代，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。通過對反射面進行賦形優(yōu)化設計，實現(xiàn)了對不同地區(qū)的靈活覆蓋；同時引入機構組件使天線具有轉(zhuǎn)動功能，實現(xiàn)了覆蓋區(qū)的靈活機動掃描。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)展時期（近十年來）

進入本世紀后，隨著我國綜合國力的增強，國產(chǎn)衛(wèi)星家族不斷龐大，包括通信衛(wèi)星、導航衛(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、多波束技術和大型可展開反射器技術等眾多新技術。

陣列技術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)電磁波信號時的抗干擾能力，提高了衛(wèi)星的在軌可靠性。

多波束技術通過一副或多副天線形成數(shù)十個甚至數(shù)百個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通信領域的蜂窩網(wǎng)絡，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——實踐十三號采用的就是多波束天線。

▲實踐十三號多波束天線

大型可展開反射器技術使天線隨衛(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)意性和前瞻性設計提供了無限可能。采用了大型可展開反射器技術后，通信衛(wèi)星可獲得更高的通信容量，導航衛(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的月球、火星甚至太陽系邊緣。

▲嫦娥四號中繼星“鵲橋”傘狀天線

2018年5月21日發(fā)射的嫦娥四號中繼衛(wèi)星上架設了一副口徑近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。