這項挑戰是這樣開始的

2014年11月的一天早晨，我在噴氣推進實驗室（JPL，位于美國加州帕薩迪納）的同事卡瑪爾·奧德瑞（Kamal Oudrhiri）突然闖入我的辦公室，提出了一個誘人的建議。一顆全新的人造衛星正在朝火星進發。該衛星將搭載NASA的“洞察力”（InSight）火星著陸器，可在著陸器進入火星區域、降落并著陸時的關鍵環節實時向地球傳回數據。奧德瑞解釋道：“我們必須達到每秒8千比特的傳輸速率，但功率有限，唯一的希望是采用大型天線，不過這顆衛星的體積只有公文包那么大。”

這顆火星探測衛星被稱為立方體衛星（CubeSat），此前還沒有體積如此小的衛星飛躍過近地軌道。其發射時，天線需要收起來，并且天線體積只有約830立方厘米。此后不久，天線展開，體積達到衛星大小的3倍。經過1.6億公里的飛行后抵達火星，其間要經歷發射時的劇烈震蕩及外層空間的極端溫度。知道難度有多大了吧？

幸運的是，我和諸位同事熱愛挑戰，很高興能有機會把立方體衛星技術推向極限。對從事地球影像與觀測的研究者及新興公司而言，這些微型航天器已成為最常用的飛船。與傳統衛星相比，這些衛星造價較為低廉且體積小，僅重幾公斤，只需要幾個月的準備即可進行發射，而不像標準航天器那樣需要花費數年的時間進行準備。隨著時間的推移，得益于摩爾定律在電子工業領域的進展，立方體衛星可搭載的傳感器和程序處理功能變得日益強大、精密，重量更輕，且高效節能。

但在通信方面，立方體衛星小巧的體積卻是一個不利因素。尤其是我們很難做到為這些衛星配備足夠大的天線，來滿足高數據速率和高分辨率雷達。所以這些微型衛星只能局限于地球軌道，無法推進地球軌道之外的科學前沿探索。如果我們能找到某種方法，為立方體衛星配備強大的高增益天線，也就能開創眾多嶄新的研究和探索機遇。圍繞地球軌道的立方體衛星最終將能進行基于雷達的科學研究，如測量氣流及降水量。利用高數據速率天線，立方體衛星將可以擴大探索疆域，去探索太陽系。

經過幾年的不懈努力，JPL天線研究小組最終用兩種不同的方式解決了這一難題。在一個名為“立方體衛星雷達”（Radarin a CubeSat，又稱RainCube）的項目中，我們設計了一種可展開的天線，衛星到達軌道后，這種天線會像一把傘一樣展開。另一個名為“火星立方體-1”（又叫作MarCO）的項目計劃于今年5月份發射，我們創造了一種能在立方體衛星表面展開的平板天線。我們的成功促使NASA開始考慮通過這些微型平臺來執行那些曾一度被認為只能通過大型傳統衛星才能執行的任務。我們的天線技術已獲得專利并授權給了數個商業太空公司。下面將詳述我們如何完成了這項在許多人看來難比登天的工程壯舉，以及在此過程中所獲得的認識。

立方體衛星并不是唯一的微型衛星，但這類衛星的適應性最強，也受到了廣泛關注。其基本構件是邊長僅為10厘米的立方體，重量最多為1公斤出頭。這些“一個單元”（1U）的立方體能按需接合在一起；常見變體由3個、6個或12個立方體構成。

美國斯坦福大學和加州理工州立大學的工程師們于1999年首次研發了立方體衛星，作為一種幫助學生親自動手設計、制造、發射并操作衛星的方式。自那以后，各種各樣的立方體衛星子系統投入使用，并成為專業任務的通用工具。

首先，這類衛星能被迅速安裝。在JPL,從開始規劃到完成設計、組裝和測試，我們僅用時10至12個月，而對更大型的、模塊較少的航天器而言，這一過程卻需要3年甚至更長的時間。

當然，重達數千公斤的傳統衛星能承載比微型立方體衛星更多的儀器。但對于有特定目的的任務，立方體衛星是一種經濟實惠并頗具吸引力的選擇。而且，發射立方體衛星群能提升航天器的時間分辨率，相較于大型航天器，對同一區域的遙感更加頻繁。在我們新型天線的幫助下，利用RainCube和MarCo執行各種任務不僅是可行的，而且非常明智。

顧名思義，創建RainCube的目的是觀測天氣。它的雷達能幫助NASA研究降水量并改進天氣預報的模式。科學家們計劃發射一系列此類衛星，以此獲得的時間分辨率比單獨一顆大型衛星所能提供的更高。

這類微型雷達裝置的體積僅相當于一個麥片盒的大小（按立方體衛星的說法是6U）。這個小盒須容納電源系統、計算機、控制系統及其他所有器件。就如同任意一個麥片盒，這個盒子也需要空間來盛放最重要的物品：雷達。RainCube的主要研究者伊娃•佩拉爾(Eva Peral)通過一系列有獨創性的工程設計，按數量級縮小并簡化了雷達裝置。然而，當其他器件裝入裝置后，仍僅為雷達及其天線留出了1/4的空間。

衛星將通過拋物面天線發送和接收雷達信號。主拋物面天線將會把這些信號反射到一個名為子反射器的裝置中，該裝置將把這些信號傳送至“喇叭天線”，再從那里傳輸至雷達電路系統中。在450至500千米的海拔高度上，RainCube的雷達將探測其所穿越過的云層，因此只需一個0.5米寬的天線即能獲得10千米寬的雷達覆蓋區域。然而，在展開之前，需要把天線折疊成一個體積為10厘米×10厘米×15厘米的小方盒。雷達以35.75千兆赫的頻率運行，這意味著這個反射器展開的精確度必須極高，形狀偏差不超過200微米。

很顯然，我們要克服一些棘手的設計挑戰。在經過激烈的頭腦風暴后，由喬納森•尚德（Jonathan Sauder）、馬克•湯姆森（Mark Thomson）、理查德•霍奇思（Richard Hodges）、 葉海亞•拉赫馬特-薩米（Yahya Rahmat-Sami）以及我本人組成的RainCube天線研究小組，選定了一種天線，這種天線的工作原理就好像把傘裝入盒子里一樣。在限定了可利用體積的條件下，這種方法是最簡單的解決方案。

當傘打開時，傘骨向外伸展，直至傘面被拉緊。RainCube的天線以同樣的方式進行工作：在展開時，一系列傘骨把天線拉成適合發送和接收信號的形狀。傘骨的數量決定了這一形狀的精密度和準確度。如果我們僅使用3根（絕對最小值）傘骨，就能形成一個三面的金字塔形；雖然理論上，大量的傘骨能夠形成精準的天線拋物面，但是添加更多的傘骨也增大了展開時出錯的可能性。

我們最終確定Raincube傘骨的最佳數量是30根。這一數量能提供足夠精確的拋物面，同時將展開失敗的風險降至最低。為了進一步提高雷達天線系統的整體精確度，工程師們設計了副反射器來反映30根傘骨組成的天線的形狀，包括與理想狀態的微小偏差以及聚焦雷達的精確性。副反射器的調諧使雷達的效能提高了6%，進而使雷達的信噪比改進了12%。

需要重新考慮的不僅僅是天線的模型。在可展開的結構中，通常將喇叭天線嵌入衛星主體，從而得到射頻信號。但是在RainCube使用的Ka頻段，電纜會損耗過多的信號。因此JPL的工程師們設計了一種由空心金屬管組成的波導管，信號可通過該金屬管傳播，該波導管是固定的，天線的其他部分則沿著它滑行并展開。

RainCube的傘狀設計很巧妙，但空間環境是對機電系統的一大挑戰。在發射過程中，天線要經受發射過程中的劇烈振動以及所在軌道的巨大溫度變化——當立方體衛星進出地球陰影時，通常內部組件的溫差為-20°C至85°C。在太空中，即使是一個小組件的故障也能導致整個任務的失敗，NASA工程師們非常清楚這一點。

RainCube的天線與伽利略探測器上由18根傘骨組成的高增益天線具有明顯的相似之處，而伽利略探測器天線于1991年展開失敗了。但我們的RainCube天線具有一大優勢。不同于伽利略探測器上4.8米寬的天線，RainCube的天線很小，可以在真空室內進行測試，因此我們進行了各種情況下的試驗。實際上，在第一次振動試驗后，其中一根傘骨未能展開，研究小組通過跟蹤一條彈簧發現了設計缺陷。我們重新設計該部件之后，天線順利通過所有測試，現已準備好發射，最早可在今年5月份進行。成功發射將成為具有分水嶺意義的重大事件，為所有搭載科學實驗的立方體衛星進入地球軌道開辟道路。

很難想象，像立方體衛星一樣微小且復雜的裝置能在茫茫的星際空間遨游。盡管如此，我們仍期望如公文包大小的兩個立方體衛星能在今年擔當此任。孿生MarCO衛星將于2018年5月搭載NASA的“洞察力”著陸器升空，成為首批進入太空深部的此類衛星。孿生立方體衛星將于11月份到達火星，將幫助著陸器與地球上的NASA外層空間網絡之間進行實時通信，并與自2006年開始在軌運行的火星勘測軌道器（MRO）一起運行。

MarCO立方體衛星通過使用超高頻環形天線，可接收“洞察力”著陸器在登陸、降落和著陸時的數據。每個衛星的軟件定義無線電將通過頻率更高的X波段穿越1.6億公里的星際空間把數據發送回地球，由深空網絡天線（每個天線寬70米）接收。考慮到立方體衛星無線電有限的射頻輸出功率，這類微型衛星的天線需要33.5厘米×60厘米的孔徑，才能建立以8千比特/秒傳輸的無線電線路。

理想的情況是，MarCO立方體衛星具備同RainCube一樣的拋物面天線，但卻沒有容納空間。研究小組只能使用航天器有效載荷空間的4%，且載荷重量必須控制在1千克之內。這還不夠，方案還要求我們僅使用立方體衛星的一邊。MarCO緊張的進度表——從天線研制到在航天器上集成僅有9個月時間——意味著我們沒有足夠的時間設計定制元件。所以在可行的情況下，我們依靠現成的元件進行簡化設計。

我們創建了名為反射陣列的平面天線，包含一個由3部分組成的控制面板，從航天器的一側翻動出來，并在彈簧鉸鏈的推動下打開。隨著控制面板自航天器的主體彈出，天線的喇叭也會伸出，圍繞著連接器轉動。天線的平坦表面上分布著反射圖案，可以仿照拋物面天線的方式，朝著地球的方向集中信號。

MarCO發射時，很可能攜帶首批反射陣列進入深空。如果該項任務成功，我們將會看到更多的立方體衛星發揮類似作用。例如，現在來自火星探測器和著陸器的數據只能通過MRO這類比較大的航天器轉發回地球。未來的立方體衛星將能進入火星軌道，以更低的成本協助轉發這些數據。

RainCube和MarCO使用的天線除了用于特定任務外，還能發揮更多作用。實際上，我們的研究小組已根據同樣的原理研發了更大型的可展開天線。下一步的“一米反射陣”（OMERA）天線是一個邊長為1米的正方形反射陣列。我們相信這類天線可用于太空通信以及類似RainCube且分辨率更高的軌道器。

對立方體衛星和其他小型衛星而言，這是一個令人興奮的時代，未來還將會取得更多進展。NASA計劃取代航天飛機的首飛——“探索任務1”，將搭載13個立方體衛星。一些立方體衛星將探訪月球，另一些則飛向深空，但所有這些微型航天器都將有一個共同特點：能夠支持大科學研究的小型天線。