星際飛船上的線束：NASA歐羅巴快船的線束難題

歐羅巴，也稱木衛(wèi)二，是木星的第四大衛(wèi)星。它比地球的月球略小，主要由硅酸鹽巖石制成。它有一個(gè)水冰殼，可能還有一個(gè)鐵鎳核。它的大氣層非常稀薄，主要由氧氣組成。它的表面有裂縫和條紋，但隕石坑相對較少。木衛(wèi)二擁有太陽系中所有固體物體中最光滑的表面。表面明顯的年輕和光滑導(dǎo)致了一個(gè)假設(shè)，即在表面之下存在水海洋，可以想象，這可能是外星生命的棲息地。

Europa Clipper（NASA歐羅巴快船）的任務(wù)是查明情況是否如此。位于馬里蘭州勞雷爾的約翰霍普金斯應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室 (APL) 與位于加利福尼亞州帕薩迪納市的美國宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室 (JPL) 和位于馬里蘭州格林貝爾特的戈達(dá)德太空飛行中心合作設(shè)計(jì)了歐羅巴快船的機(jī)身。

該航天器高10英尺，寬5英尺，是一個(gè)鋁制圓柱體，里面裝有電子設(shè)備、無線電、熱回路管、電纜和推進(jìn)系統(tǒng)。Europa Clipper的太陽能電池陣列和其他可部署的設(shè)備已準(zhǔn)備好發(fā)射，將與SUV一樣大。展開后，太陽能電池板使飛船有籃球場那么大。它是美國宇航局為執(zhí)行行星任務(wù)而開發(fā)的最大的航天器。

Europa Clipper 將于2024年10月發(fā)射，配備九種儀器來研究歐羅巴的內(nèi)部和海洋、地質(zhì)、化學(xué)和可居住性。這些儀器將通過150公斤重的鈦和鋁防護(hù)罩免受輻射。這些儀器是：

● 一種熱發(fā)射成像系統(tǒng)，用于檢測地質(zhì)活動(dòng)區(qū)域，例如將水柱噴入太空的通風(fēng)口。

● 映射成像光譜儀，一種近紅外光譜儀，用于分析表面，識(shí)別和映射有機(jī)物、鹽、酸水合物、水冰相和其他材料的分布。

● 一臺(tái)可見光譜相機(jī)，它將以50米的分辨率繪制歐羅巴大部分地區(qū)的地圖。該相機(jī)還將以高達(dá)0.5米的分辨率提供選定表面區(qū)域的圖像。

● 一種紫外光譜儀，用于檢測小羽流并測量月球外逸層的成分和動(dòng)態(tài)。

● 一種雙頻探冰雷達(dá)，用于表征和探測從近地表到海洋的木衛(wèi)二冰殼，揭示木衛(wèi)二冰殼的隱藏結(jié)構(gòu)和內(nèi)部潛在的水帶。

● 一個(gè)磁力計(jì)。

● 一種用于測量木衛(wèi)二周圍等離子體以表征等離子體電流產(chǎn)生的磁場的儀器。與磁力計(jì)一起，該儀器將測量歐羅巴的冰殼厚度、海洋深度和鹽度。

● 一種質(zhì)譜儀，通過測量木衛(wèi)二的大氣和任何噴射到太空中的表面物質(zhì)來確定地表和地下海洋的成分。

● 表面灰塵分析儀，質(zhì)譜儀，用于測量從木衛(wèi)二噴出的小固體顆粒的成分。該儀器可以識(shí)別噴射物冰中有機(jī)和無機(jī)化合物的痕跡。

Europa Clipper的主體已經(jīng)完成，并于今年6月交付給 JPL。在接下來的兩年里，工程師和技術(shù)人員將在測試之前完成航天器的組裝，以確保它能夠承受前往歐羅巴的旅程。

主要結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)堆疊的鋁制圓柱體，上面點(diǎn)綴著螺紋孔，用于固定在航天器的貨物上：射頻模塊、輻射監(jiān)測器、推進(jìn)電子設(shè)備、電源轉(zhuǎn)換器和接線。射頻子系統(tǒng)將為八根天線供電，其中包括一個(gè)10英尺寬的巨大高增益天線。

為承受木星系統(tǒng)的強(qiáng)烈輻射而建造的重型電子保險(xiǎn)庫將與科學(xué)儀器一起與主要的航天器結(jié)構(gòu)集成在一起。

航天器的主體內(nèi)部有兩個(gè)罐：一個(gè)用于燃料，一個(gè)用于氧化劑，以及將其內(nèi)容物輸送到24個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)陣列的管道。

連接所有儀器、太陽能電池板、通信設(shè)備和推進(jìn)系統(tǒng)需要大量布線。事實(shí)上，航天器的線束由大約2,600根導(dǎo)體組成，重150磅。APL太空探索部門的安全帶開發(fā)部門主管杰克林·佩里說，如果將其展開，它將運(yùn)行近2100英尺——是足球場周長的兩倍多。

為星際飛船設(shè)計(jì)線束比為汽車甚至飛機(jī)設(shè)計(jì)線束更具挑戰(zhàn)性。

首先，存在輻射問題。曾擔(dān)任快船推進(jìn)模塊線束首席工程師的佩里說，木衛(wèi)二位于木星輻射帶的深處。隨著每個(gè)軌道，航天器將受到越來越多的輻射。從曝光角度來看，脊柱X射線產(chǎn)生的輻射劑量小于0.2拉德。Clipper的線束將受到2000萬拉德的輻射。

帶電粒子是另一個(gè)問題。“帶電粒子在絕緣體中積聚，線束具有85%的絕緣性，”佩里解釋說，他還幫助設(shè)計(jì)了目前正在繞太陽運(yùn)行的美國宇航局帕克太陽探測器和即將到來的蜻蜓任務(wù)的線束，該任務(wù)計(jì)劃2034年在土星的衛(wèi)星泰坦上降落一架旋翼飛行器。在最好的情況下，粒子將排放到地面。在最壞的情況下，它們會(huì)排放到接線中并炸毀電子設(shè)備。

“需要大量的屏蔽來防止這種情況發(fā)生。然而，抗輻射的材料在帶電環(huán)境中很糟糕，而不會(huì)產(chǎn)生電荷的材料只會(huì)在高劑量輻射中崩潰。我們處于困境和艱難的境地之間。”

最終，工程師選擇用銅帶包裹布線，有時(shí)甚至用鉛包裹。“這對我們的總質(zhì)量沒有幫助，但你能做什么？” 佩里說。

然而，從好的方面來說，銅包裹還可以防止航天器的電源線和遙測線之間的潛在電磁干擾。

還必須計(jì)劃極端溫度。Clipper將暴露在-235℃到100 ℃的溫度范圍內(nèi)。“這是一個(gè)很大的設(shè)計(jì)范圍，”她說。“很多材料沒有針對這些極端情況進(jìn)行評級，因此我們進(jìn)行了很多低溫測試。”

像所有航天器一樣，快船在發(fā)射過程中需要承受相當(dāng)大的振動(dòng)。“值得慶幸的是，許多材料已經(jīng)從以前的任務(wù)中獲得了資格，”佩里說。“但是，如果我們沒有這些數(shù)據(jù)，我們就必須進(jìn)行大量測試，以確保它能夠在發(fā)射后存活下來。”

雖然完成的航天器將在發(fā)射前進(jìn)行聲學(xué)和振動(dòng)測試，但APL工程師選擇僅在安全帶上進(jìn)行自己的振動(dòng)測試。

同樣，沖擊是工程師需要考慮的另一個(gè)因素。要將航天器與火箭分開需要炸藥。“在分離時(shí)，線束將在10000赫茲下承受6300克的沖擊載荷。這是一次大滿貫，”佩里指出。“我們測試了所有的連接器接口，以確保它們不會(huì)分崩離析。我們還測試了我們的綁定。”