星际飞船上的线束：NASA欧罗巴快船的线束难题

欧罗巴，也称木卫二，是木星的第四大卫星。它比地球的月球略小，主要由硅酸盐岩石制成。它有一个水冰壳，可能还有一个铁镍核。它的大气层非常稀薄，主要由氧气组成。它的表面有裂缝和条纹，但陨石坑相对较少。木卫二拥有太阳系中所有固体物体中最光滑的表面。表面明显的年轻和光滑导致了一个假设，即在表面之下存在水海洋，可以想象，这可能是外星生命的栖息地。

Europa Clipper（NASA欧罗巴快船）的任务是查明情况是否如此。位于马里兰州劳雷尔的约翰霍普金斯应用物理实验室 (APL) 与位于加利福尼亚州帕萨迪纳市的美国宇航局喷气推进实验室 (JPL) 和位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心合作设计了欧罗巴快船的机身。

该航天器高10英尺，宽5英尺，是一个铝制圆柱体，里面装有电子设备、无线电、热回路管、电缆和推进系统。Europa Clipper的太阳能电池阵列和其他可部署的设备已准备好发射，将与SUV一样大。展开后，太阳能电池板使飞船有篮球场那么大。它是美国宇航局为执行行星任务而开发的最大的航天器。

Europa Clipper 将于2024年10月发射，配备九种仪器来研究欧罗巴的内部和海洋、地质、化学和可居住性。这些仪器将通过150公斤重的钛和铝防护罩免受辐射。这些仪器是：

● 一种热发射成像系统，用于检测地质活动区域，例如将水柱喷入太空的通风口。

● 映射成像光谱仪，一种近红外光谱仪，用于分析表面，识别和映射有机物、盐、酸水合物、水冰相和其他材料的分布。

● 一台可见光谱相机，它将以50米的分辨率绘制欧罗巴大部分地区的地图。该相机还将以高达0.5米的分辨率提供选定表面区域的图像。

● 一种紫外光谱仪，用于检测小羽流并测量月球外逸层的成分和动态。

● 一种双频探冰雷达，用于表征和探测从近地表到海洋的木卫二冰壳，揭示木卫二冰壳的隐藏结构和内部潜在的水带。

● 一个磁力计。

● 一种用于测量木卫二周围等离子体以表征等离子体电流产生的磁场的仪器。与磁力计一起，该仪器将测量欧罗巴的冰壳厚度、海洋深度和盐度。

● 一种质谱仪，通过测量木卫二的大气和任何喷射到太空中的表面物质来确定地表和地下海洋的成分。

● 表面灰尘分析仪，质谱仪，用于测量从木卫二喷出的小固体颗粒的成分。该仪器可以识别喷射物冰中有机和无机化合物的痕迹。

Europa Clipper的主体已经完成，并于今年6月交付给 JPL。在接下来的两年里，工程师和技术人员将在测试之前完成航天器的组装，以确保它能够承受前往欧罗巴的旅程。

主要结构包括两个堆叠的铝制圆柱体，上面点缀着螺纹孔，用于固定在航天器的货物上：射频模块、辐射监测器、推进电子设备、电源转换器和接线。射频子系统将为八根天线供电，其中包括一个10英尺宽的巨大高增益天线。

为承受木星系统的强烈辐射而建造的重型电子保险库将与科学仪器一起与主要的航天器结构集成在一起。

航天器的主体内部有两个罐：一个用于燃料，一个用于氧化剂，以及将其内容物输送到24个发动机阵列的管道。

连接所有仪器、太阳能电池板、通信设备和推进系统需要大量布线。事实上，航天器的线束由大约2,600根导体组成，重150磅。APL太空探索部门的安全带开发部门主管杰克林·佩里说，如果将其展开，它将运行近2100英尺——是足球场周长的两倍多。

为星际飞船设计线束比为汽车甚至飞机设计线束更具挑战性。

首先，存在辐射问题。曾担任快船推进模块线束首席工程师的佩里说，木卫二位于木星辐射带的深处。随着每个轨道，航天器将受到越来越多的辐射。从曝光角度来看，脊柱X射线产生的辐射剂量小于0.2拉德。Clipper的线束将受到2000万拉德的辐射。

带电粒子是另一个问题。“带电粒子在绝缘体中积聚，线束具有85%的绝缘性，”佩里解释说，他还帮助设计了目前正在绕太阳运行的美国宇航局帕克太阳探测器和即将到来的蜻蜓任务的线束，该任务计划2034年在土星的卫星泰坦上降落一架旋翼飞行器。在最好的情况下，粒子将排放到地面。在最坏的情况下，它们会排放到接线中并炸毁电子设备。

“需要大量的屏蔽来防止这种情况发生。然而，抗辐射的材料在带电环境中很糟糕，而不会产生电荷的材料只会在高剂量辐射中崩溃。我们处于困境和艰难的境地之间。”

最终，工程师选择用铜带包裹布线，有时甚至用铅包裹。“这对我们的总质量没有帮助，但你能做什么？” 佩里说。

然而，从好的方面来说，铜包裹还可以防止航天器的电源线和遥测线之间的潜在电磁干扰。

还必须计划极端温度。Clipper将暴露在-235℃到100 ℃的温度范围内。“这是一个很大的设计范围，”她说。“很多材料没有针对这些极端情况进行评级，因此我们进行了很多低温测试。”

像所有航天器一样，快船在发射过程中需要承受相当大的振动。“值得庆幸的是，许多材料已经从以前的任务中获得了资格，”佩里说。“但是，如果我们没有这些数据，我们就必须进行大量测试，以确保它能够在发射后存活下来。”

虽然完成的航天器将在发射前进行声学和振动测试，但APL工程师选择仅在安全带上进行自己的振动测试。

同样，冲击是工程师需要考虑的另一个因素。要将航天器与火箭分开需要炸药。“在分离时，线束将在10000赫兹下承受6300克的冲击载荷。这是一次大满贯，”佩里指出。“我们测试了所有的连接器接口，以确保它们不会分崩离析。我们还测试了我们的绑定。”