NASA SkyFall火星直升机采用革命性柔性天线设计

任务背景与目标

NASA在2021至2024年成功验证了Ingenuity火星直升机的飞行能力后，正着手推进更宏大的SkyFall任务。该任务将派遣三架直升机（一架较大、两架较小）前往火星，主要目标是探测浅层地下冰——未来宇航员任务最关键的资源之一。虽然轨道卫星能发现数十米深的大型冰层，但对地表以下5米（约16英尺）以内的浅层冰层却“视而不见”，而这些浅层冰恰恰是载人任务最容易获取的水源。

天线设计的核心挑战

SkyFall直升机需要搭载探地雷达，但传统天线在火星环境下存在根本性矛盾：要发射500-2500 MHz的雷达信号，天线长度需约48厘米（19英寸），且必须与地面保持清晰视线。然而直升机与火星表面的最小离地间隙仅15厘米（6英寸），传统天线根本无法安装。经过多轮方案筛选，团队最终选择了Vivaldi天线——一种扁平、曲线形的设计，外形类似背靠背放置的弧形刀片，能覆盖连续宽频段。

柔性织物天线的创新方案

标准Vivaldi天线仍显过大，但团队利用火星干燥土壤对无线电波阻挡远弱于地球土壤的特性，成功将其进一步小型化。即便如此，天线长度仍比直升机起落架长1.5倍。为此，工程师采用聚酯纤维和Vectran材料（曾用于勇气号与机遇号着陆气囊）包裹天线，并加入柔性玻璃纤维弹簧和轻质镁合金安装结构。这种设计使天线在着陆时能弯曲避让岩石，起飞后自动弹回原形，且能承受数十次飞行中的反复变形。

严苛的测试验证

测试在NASA喷气推进实验室（JPL）环境测试实验室进行。工程师模拟了飞行后不同姿态、多次着陆以及火星昼夜巨大温差（-100°C至20°C）对天线的影响。在电磁测试舱中，团队验证了天线发射和接收信号的能力未受变形影响。他们还通过倒置天线施加远超火星重力的应力，同时测试射频性能。结果显示，天线能承受200次着陆（任务要求的两倍）而无信号性能损失。

未来计划与科学意义

随着天线首轮测试成功，团队正在构建工程模型，准备进行振动测试、模拟火星环境部署、信号测试以及JPL火星试验场户外试验。SkyFall任务计划于2028年底搭载NASA的Space Reactor-1 Freedom飞船发射——这是人类首次核动力星际任务。每架直升机将配备四台仪器，通过低空慢速飞行获取高分辨率雷达图像，精确识别干土与冰层的交界处，绘制浅层水冰分布图。这些数据将为未来宇航员选择着陆点、规划水冰开采提供直接依据。

技术突破的启示

SkyFall的天线设计不仅解决了火星探地雷达的工程难题，更展示了柔性电子在极端环境下的应用潜力。Vivaldi天线的扁平、轻量特性使其可集成到多种小型飞行器上，未来或可用于月球极区、小行星等天体的浅层资源探测。这一创新也印证了Ingenuity任务奠定的“空中视角”价值：只有贴近地面飞行，才能发现轨道遥感无法触及的浅层宝藏。

原标题：NASA's SkyFall Mars helicopters will feature a revolutionary antenna design。 来源：phys.org。

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