火星探測計劃「天問一號」,屆時將與地球最遠相距4億公裡之遙,這麼遠的距離如何保障探測信號的接收?坐落在天津武清的天線跟中國的火星計劃有什麼樣的關係?我們採訪了航天科技集團第五研究院天津基地管委會副主任、航天神舟科技發展有限公司副總經理、正高級工程師那鑫:
問:作為我國火星探測數據接收的關鍵設備,由國家天文臺負責建設的70米天線4月25號在天津武清成功進行了反射體的整體吊裝。這是一個什麼樣的設施?和中國的火星計劃有著怎樣的關係?
答:中國的深空探測和火星探測,都會分成很多分系統,最核心的分系統叫探測器分系統。著陸器、巡視器、上升氣壓環繞器,這些都屬於探測器分系統。探測器分系統一般都是航天造的,也就是中國空間技術研究院造的。
第二分系統會有一個所謂的運載分系統,運載分析系統是什麼呢?就是火箭。咱們今年年初又成功發射了長五13B,第三顆長徵5號的火箭,大大提升了中國的運載能力,讓中國進入深空的能力進一步得到加強。這個胖5就是我們的運載火箭這個分系統。
第三個分系統一般就是發射場分系統。太原和西昌,基地發射衛星了,這就是發射分系統。
還有一個系統就是地面業務分系統。比如說接收這些設備,要從4億公裡外把數據傳輸回來,這些信號所代表的那些內容。比如說有一個大氣分析的傳感器在火星上,它會把大氣的信息變成電子信號,然後傳到地球上來,再由地面接收裝置把信號給接過來,接過來之後我們來分析它的成分。這些東西都屬於應用分系統。
這次的天線就屬於應用分系統的一部分。
天線本身的甲方或者天線的擁有者是誰?是國家天文臺。也就是國家天文臺承擔了我國深空探測地面接收設備的這樣一個任務。
地面接收設備必須把太空中特別微弱的,從遙遠的6000萬到4億公裡的火星信號給接過來,接過來之後,把信號所承載的內容再變成什麼水的成分,二氧化碳的成分,再變成我們想知道的火星探測的那些內容。武清這個大天線,就是核心的地面接收設備。
問:據了解,直徑70米的高性能接收天線總重約2700噸,高72米,面積相當於9個籃球場大小。那麼這個天線的工作原理是怎樣的呢?
答:首先更正它不是像網傳的那樣是亞洲最大天線,而是亞洲最大的可動天線。亞洲最大天線是貴州的天眼,是500米口徑的射電望遠鏡,國家重大科技基礎設施。
武清這個是直徑70米的大天線,它有一個隨動系統,能隨著火星所在方向慢慢轉動。
天線有很多種分類方法,如果從形狀上來分,有拋物面天線,它是有電源的高能量天線,要接收那些非常微弱的信號;有鞭狀天線,就是收音機天線那樣拉拉杆的;還有棒狀天線,就是大家現在家裡使用的wifi,支出來的一個個的棍。
平時還有一類天線,比如說八目天線,就是老式的家庭電視,在外邊支一根杆,然後一行幾支棍給它戳起來。這就叫八目天線。
可這並不是八根杆,為什麼叫八目呢?因為這是日本的一個叫八目的人發明的天線,所以叫八目天線。
拋物面天線的中間仔細看會發現有幾根杆,這些杆支出來之後,可以看到中間有一個小東西在它剖面的焦點,這個東西是叫什麼呢?叫饋源。實際上太空中所有的信息一經過剖面,就被聚焦到那一小塊圓上。
饋源相當於是接收了所有能量最集中的地方,它相當於通過功率放大器把信號再放大,放大之後傳到後邊的接收機,再把它所謂的微波信號,或者叫波分析調試,最後變成大家可解讀的數字,或者代表的一些能量信息,這就是天線的工作原理。
問:在天津武清吊裝完成的局限拋面天線的技術難點是什麼?
答:我個人認為它的難點不在於天線的設計難度,而是首先在於製造。造出來這麼大的70米的大天線,弧形的反射面,一塊塊鐵板拼起來,還不能有微波洩漏,整個電磁兼容做得非常好,製造的難度非常大。
其次是調試,看看整個天線做完了之後到底能不能達到設計指標。它的作用就是在火星探測計劃之後,它作為地面應用系統,或者是地面接收系統的一個接收設備,一個基礎設施,來把火星上火星探測器傳回來的一些微弱信號給分析出來,變成我們可以解讀的東西,這也是這個天線最核心的東西。