宇宙学中的一个非常重要的问题是宇宙早期是如何演化的，特别是均匀的气体是如何演化成第一代恒星和星系的？解开这一谜团的钥匙在于中性氢原子的一种极其微弱的辐射．氢是宇宙中形成的丰度最高、分布最广的元素，宇宙大爆炸后38万年，氢核与电子复合形成中性氢．中性氢原子的基态被超精细相互作用分裂，其间的跃迁产生波长为21 cm的谱线．经过宇宙膨胀，这些21 cm谱特征已红移到低频，来自宇宙黑暗时代的21 cm光子的波长到今天已经被拉伸到6.5 m以上(频率45 MHz以下)；来自宇宙黎明与再电离时期的21 cm光子的波长大约在1.5~6.5 m之间(频率45~200 MHz)．21 cm谱探测是目前唯一可知的直接观测“黑暗时代”原始扰动的方法，也可以获得“宇宙黎明”时期天体的性质及它们是如何影响周边环境、造成再电离的．21 cm宇宙学研究是一个具有广阔前景但尚待突破的领域．目前，人类开展并实施的21 cm探测主要使用地基射电望远镜，包括FAST，21CMA，LOFAR等，并正在建造SKA．除了大型的望远镜进行的层析观测外，还有观测21 cm全天平均谱信号的小型单天线实验，如EDGES，SARAS，SCI-HI等．然而，由于地基观测受电离层影响(氧气、水蒸气吸收红外辐射、电离层反射)及地面无线电干扰影响(13 MHz以下为广播通信频段)，在低频射电波段一直缺乏高灵敏度的观测数据，10 MHz以下频段更几乎是天文学电磁频谱中的处女地；利用卫星在轨道上进行低频射电观测是另一条有效途径，但近地轨道同样受到地球辐射干扰，且受卫星平台约束，天线有效面积规模受限，若采用编队飞行实现组阵观测，则面临大规模阵列的高精度构型保持等技术难点，难以实现超大口径探测阵列．月背射电观测可避免以上问题，由于潮汐锁定，月球背面永远看不到地球，可免受人为电磁噪声和地球极光等自然现象辐射的影响．目前学界公认，月球背面是30 MHz以下大规模探测阵列部署的最佳位置[1-5]．因此，国外也有一些关于月球表面射电望远镜的提议，如LuSEEnight[6]，FARSIDE[7]，ALO[8]和月球坑射电望远镜(LCRT)[9]等．本研究首先分析了月背低频射电大规模探测阵列[10]的科学需求，给出了黑暗时代观测、天文观测所需的阵列指标，据此提出了探测阵列基本型的建设目标和初步方案，包括阵列系统组成、天线选型、站址选择、能源设计、阵列部署方案和数据传输设计，该工程对高效能源技术、月面操作部署技术、月表原位建造技术等都将起到重要的带动作用．1 科学需求目前在30 MHz以下波段的观测数据非常少，为数不多的观测也受到角度分辨率和天空覆盖的严重限制．根据已知可能的低频无线发射源，宇宙黑暗时代和宇宙黎明、类星体和无线电星系、星际介质和宇宙射线、太阳和系内行星、系外恒星和行星等是未来可能的科学目标．宇宙黎明的研究已成为天文学研究的主要焦点和前沿．Science杂志发布的世界最前沿的125个科学问题中有多个涉及宇宙起源与演化，这些问题有望在宇宙黑暗时代与黎明的探测中得到回答．美国詹姆斯韦布空间望远镜(JWST)、美欧正在研制的下一代巨型地面30 m级光学望远镜(TMT，GMT，ELT)、包括我国在内多个国家联合研制的规模空前的平方公里阵列射电望远镜(SKA)均把宇宙黎明与再电离研究作为最重要的科学目标．因此，对这一波段进行新的观测具有重大科学意义．超长波还可观测到类星体、活动星系核、星系团的射电晕等河外射电源．在超长波频段明亮的射电瓣可以获得黑洞喷流内粒子能量分布和周边物质分布信息，从而理解喷流产生机制及演化，进而理解超大质量黑洞的形成和演化．另外通过对超新星遗迹的低频观测，特别是对其不同位置低频频谱的测量，可以同时得知其内部的电子分布和宇宙线的分布，从而获取宇宙线起源的重要信息．此外在恒星系统中，行星与恒星在射电波段的对比度可以接近1，而在光学波段行星比恒星要暗109倍的量级，因此理论上在射电波段探测系外行星将是更加有效的手段．综上，低频射电天文作为一个全新的射电窗口必然带来一些意想不到的全新发现．1.1　黑暗时代观测低频射电波段的一个关键科学目标是观察宇宙黑暗时代，即从等离子体复合到形成第一批恒星和星系之间的时代．在黑暗时代21 cm波长的光子被发射或吸收，产生的光谱特征现在被红移到低频段．然而，由于存在比21 cm信号强几个数量级的前景噪声，如银河系背景辐射，使得探测黑暗时代的原始波动需要1×103~1×104个天线节点(有效面积1×106 m2)来获得足够的灵敏度[10]．在月背开发这样一个阵列技术难度极大，须先用102量级天线节点(有效面积1×103 m2)测试基本技术，然后逐步扩展到1×103~1×104天线的巨大阵列，用于观察黑暗时代的原初扰动．1.2　天文观测阵列灵敏度与天线数量的关系可以通过以下方法进行简单估计．对于低频探测使用最为广泛的偶极子天线，由于这个波段的波长(λ)通常远长于天线的长度，因此可以认为这些偶极天线都是电小天线，这类天线有效面积Ae=3λ2/(8π)．在该频段由于天空明亮的银河系前景温度主导了系统温度，天线与接收机不匹配，同时减小银河系前景辐射和被探测信号，这样不匹配效应造成效率降低对系统信噪比影响较小，因此阵列对无极化点源灵敏度公式可以写为σs=kBTsysAe2N(N-1)Δυt，式中：Tsys为系统温度；kB为玻尔兹曼常数；Ae为单天线有效面积；N为天线数量；Δυ为频率带宽；t为积分时间．在低频段Tsys主要由天空温度决定．由1×102个天线组成的阵列已经可以在超长波段观察到大量的射电源．图1给出月面天线阵列的灵敏度、分辨率与其他变量的关系．图1(a)绘制了不同月面低频射电观测频率下灵敏度与天线数量的关系，给出4个频率点的情况，分别为5，10，30，50 MHz，带宽为1 MHz，观测时间为100 h．可以看出：在10 MHz处，1×102个天线(有效面积1×103 m2)的流量密度极限约为0.1 Jy，天鹅座A在10 MHz时的流量密度是13.5 Jy[10]，它的距离是162 Mpc/h(1 Mpc≈326万光年)，所以以上述的灵敏度，应该能够探测到这样一个处于高红移的射电星系．大多数射电星系的射电光度都比天鹅座A低，但在宇宙学距离上应仍可以观测到．1×103个天线的流量密度极限约为10 mJy，可以开展更多的射电星系观测及系外行星射电辐射探测[11]，1×104个天线(有效面积1×106 m2)的流量密度极限约为1 mJy，通过年量级观测可以探测宇宙黑暗和黎明时代21 cm信号．图1(b)给出了不同月面阵列基线长度下阵列分辨率(R)与频率(f)的关系．10.13245/j.hust.240774.F001图1天线阵列的灵敏度与分辨率射电星系的射电发射主要来自于中央超大质量黑洞喷射的高能电子的同步辐射．随着黑洞活动的停止，电子冷却下来，其辐射频率也随之降低．超长波长的观测将使我们能够探测这些喷流的遗迹，并获得关于宇宙中黑洞活动的更完整的观点．2 工程路线根据科学需求分析，月背低频射电探测阵列须要达到104天线节点(有效面积1×106 m2)的规模，才能够观测到黑暗时代的信号波动；而在102天线节点(有效面积1×103 m2)量级，可开展黑洞等天体观测．按照科学目标、阵列规模，可分为三步实施．a．基本型．通过一次任务，建设102级天线节点探测阵列，开展天文观测，包括宇宙黎明全天平均频谱探测、太阳及行星射电、银河系前景、变源及射电星表、射电星系等观测．b．中期型．实现103级天线节点探测阵列，可以展开包括类星体和无线电星系、地外行星探测、星际介质和宇宙射线探测等观测．c．业务型．基于原位建造技术、先进能源技术的发展，实现104级天线节点探测阵列，具备可维护、长期观测能力，实现宇宙黎明和黑暗时代的观测．3 初步设计3.1　系统组成对于基本型任务，月背大规模低频射电探测阵列任务拟采用一次长征九号运载火箭发射，探测器由着陆器(含月球车)、中继星组成．着陆器负责完成组合体的地月转移，并充分继承嫦娥五号月面软着陆技术，负责月面着陆任务，承载科学载荷、月球车及落月平台设备，着陆后作为射电探测阵列基站，长期驻留月球，着陆器上携带的智能月球车负责子站、薄膜天线阵列的自主部署工作．中继星于环月过程释放，负责月背大规模低频射电探测阵列探测过程中的数传中继任务．着陆器、中继星组合体由运载发射进入近地点200 km、远地点380 Mm的地月转移轨道，随后转移至环月大椭圆轨道，释放中继星后．着陆器环月飞行下降至200 km圆轨道，随后开始动力下降，着陆于月背，飞行过程如图2所示，组合体构形如图3所示．10.13245/j.hust.240774.F002图2飞行过程图10.13245/j.hust.240774.F003图3组合体构形薄膜天线阵列部署用时8个月，月昼期间完成月面初始化、基站天线展开、子站部署、子站天线展开；月夜月球车返回基站，利用基站供电进入月夜休眠模式．部署完成后，月背低频射电探测阵列处于科学探测工作阶段，以月夜工作为主，月昼正午休眠．在月昼工作段，基站处于数据回传工作模式，通过中继星将探测信号回传至地面，如图4所示．10.13245/j.hust.240774.F004图4基站经中继星回传探测信号3.2　站址选择依据月面低频射电探测科学需求，在月球背面20°S~50°S，120°W~120°E之间寻找合适的地形，作为部署月基低频射电探测阵列的位置，该区域横跨艾特肯盆地北侧，连接部分盆地边缘的高地，中国的嫦娥四号月球探测器就是着陆在这个区域．通过对中国嫦娥一/二号(Chang’e-1/2)、美国月球勘探轨道飞行器(LRO)和日本月女神号(SELENE)的探测数据进行分析，月球中低纬地区的地形多为大面积月海和高山，且分布相对独立，因此对于大部分的区域而言，小范围高程变化较小．艾特肯盆地与附近高山的连接处地形起伏略大，但在艾特肯盆地内部，仍以大面积的平坦低地为主，整个月球中低纬地区的高程差为19 km左右．为满足月面软着陆和月基低频射电探测阵列部署的工程可实现性，在选定范围内筛选坡度小于8°的成片(10 km×10 km)撞击坑外区域，作为预选着陆区．经分析统计，该区域平均坡度为7°左右，最大坡度可达47°，有62.3%的区域坡度小于8°，多位于坑底平坦区域和高山连接处．初步筛选得到4片区域作为预选着陆区，表1给出了其位置和面积信息，初选站址位置见图5．10.13245/j.hust.240774.T001表1初选站址选择情况序号中心点经纬度/°区域面积/km21-167.536 4，-24.272 37 108.426 3362-171.494 7，-32.739 311 399.228 1393-125.993 2，-26.815 75 234.680 1564-162.773 2，-46.616 739 775.911 12510.13245/j.hust.240774.F005图5初选站址位置根据美国阿波罗(Apollo)和中国嫦娥四号对月壤的测量结果，月壤的电导率非常低，约1×10-10 S/m，因此损耗很小，与真空非常接近，对月面天线影响较小．对于月壤的分层结构和介电常数，通过仿真发现对天线的谐振频率和带宽会有一些影响，但总体看影响也较小．3.3　天线设计对于天线方案，考虑两个因素：一个是天线效率；另一个是天线的质量、便携性和月面的可靠性．对于探测微弱信号，天线效率尤为重要，简单地看，天线的长度尺寸越大，辐射效率最高的频率也越低，截面宽度越大对应的宽带性能也越好．可选的可展开天线包括索状天线、伞状天线和薄膜天线，伞状天线采用刚性结构，质量较大，从质量角度考虑，可以选用薄膜或索状天线，相比索状天线，薄膜天线由于可以有更复杂的结构，具有更加宽带的性能．因此首先考虑薄膜天线．薄膜天线在设计中主要考虑长条形，便于收拢成卷轴状态和释放．天线性能主要考虑辐射阻抗特征和辐射方向图，对于长条形薄膜天线而言，天线长度决定了频率上的谐振特性，而天线宽度决定了宽带性能特性．对不同形状的薄膜天线进行设计和仿真，甄选出性能较优异的方案．图6展示了一种在初步测试中发现的、性能较好的天线结构，即平面耦合偶极子天线，长度20 m，宽度30 cm，便于用卷轴结构在月面进行部署，回波损耗(-S11)在16.0~29.4 MHz时都处于10 dB以上，从图上看结果一致性比较好．另外这样的天线在不同频率下方向图也有较好的一致性，天线方向图如图7所示，图中不同颜色曲线给出了不同频率在各方向上的远场方向性．10.13245/j.hust.240774.F006图6天线S11参数10.13245/j.hust.240774.F007图7天线方向图薄膜天线卷绕在天线子站内，薄膜天线的收拢设计见图8，子站设计见图9．月球车将各子站运送至预定位置并固定于月面后，将薄膜天线从子站内抽出，展开于月球表面．10.13245/j.hust.240774.F008图8天线收拢设计10.13245/j.hust.240774.F009图9天线子站设计3.4　能源设计为了提高观测效能，月背射电阵列的工作时间(图10)包含了整个月夜和部分月昼(不超过25 ℃)，约占月球日的66%，其余时间(超过25 ℃的月昼)阵列不进行观测，进入待机模式，仅基站的数控、测控、数管和热控等分系统工作耗能．这不同于常规月球探测器月昼工作、月夜休眠的模式，在月夜长达14.5 d的无光照环境下持续满功率工作和-190 ℃的极限低温导致对电能的需求量非常庞大．10.13245/j.hust.240774.F010图10射电阵列工作时间(绿色)通过极低温电子学、低功耗元器件等的设计与应用，尽可能将单个天线节点的功耗降低至2 W，采用1 000 V的高电压减少长距离(5 km)输电时的压降损耗，可控制基站、子站和全部天线节点在月夜工作期间的功率需求为990 W．但即使如此，也将需要至少332.640 kW∙h的蓄电池才能度过漫长的月夜．另外，1 000 V的高压输电，蓄电池须采用大量DC-DC模块，可能会在低频产生大量的电磁辐射从而干扰观测，因此超长波段系统级EMI抑制是月背低频射电探测阵列待解决的关键技术之一．各部分能源分系统功能分析如下．a．中继星能源分系统：保障中继星与地面、月面的通信数传工作模式的大功率需求和能源供给，如有无线传能需求，则须要满足大容量储能、激光发射．b．着陆器(基站)能源分系统：保障月昼基站与中继星数传、射电阵列工作时基站的数据处理、月夜基站保温的能源供给．c．月球车能源分系统：保障月球车月昼布置阵列工作、月夜休眠保温的能源供给．d．射电阵列(子站、阵列节点)能源分系统：保障射电阵列工作、休眠保温时的能源供给．能源分系统的供电形式主要分为两种：一种是集中式供电，能源全部由中心基站输送至各子站，辐射型电缆走线如图11所示；另一种是分布式供电，基站、各子站具备独立供电能力．10.13245/j.hust.240774.F011图11基站-子站的集中式供电的电缆走线通过对现有及未来可能具备的能源技术进行分析，可用于集中式和分布式供电的设备主要包括太阳翼、锂电池、可再生燃料电池、放射性同位素电源(RTG)、核电源和激光无线传能(激光发射器、激光接收器)等．月球车、基站、子站和天线节点可选择不同的设备作为电能来源，由于上述涉及到多种不同设备，不同的排列组合最终会形成不同的能源技术路线，因此在枚举各种技术路线的设备组成前，先假定如下结论成立．a．由于月球车在月昼部署阵列节点时须往返于基站与子站，因此采用太阳翼供电，月夜返回基站保温的方案是最优的，而不是尾部拖拽近6 km的电缆与基站相连供电；b．燃料电池、核堆电源更适合配备于基站进行大功率集中式供电，不适合用于分布式供电．由此，一些能源技术路线可以事先排除．除月球车采用太阳翼供电、阵列节点采用线缆与子站相连供电外，其余航天器/设备组成共有11种方案，如表2所示．10.13245/j.hust.240774.T002表2能源分系统11种方案序号供能形式方案中继星基站子站1集中式太阳翼+电池太阳翼+电池电线2再生燃料电池3RTG4核电源5分布式太阳翼+电池太阳翼+电池太阳翼+电池6RTG7RTG太阳翼+电池8RTG9集中式太阳翼+激光发射器+辐射器激光接收器+锂电池+太阳翼电线10分布式全部子站收能-激光接收器+锂电池+太阳翼11部分子站收能-仅一半收能，有线带动其余子站，激光接收器+锂电池+太阳翼+电线受运载能力约束，落月质量有限，给能源分系统的方案选择与设计带来了困难．从落月质量、技术成熟度和可获得性等三个方面，开展能源分系统技术路线的对比与设计．首先，给出月基射电望远镜的各项参数与指标要求．在满足整器落月质量干重小于3 500 kg的约束下，尽可能减少能源分系统质量，搭载更多载荷．工作时段：月夜(连续14.5 d)，月昼(时长14.5 d)，其余时间为待机时段，仅基站的数传、测控、数管、热控等分系统工作，基站质量为700 kg，月球车质量为180 kg×2，子站质量为25 kg×20，天线节点质量为2 kg×270．工作时月球车功耗不超过600 W，阵列部分功耗不超过990 W，其中阵列单个节点功耗不超过2 W，基站功耗不超过150 W，子站功耗不超过10 W．待机时阵列部分功耗不超过200 W．线缆选择轻量化光电一体复合线缆，线缆质量每千米不超过5 kg(包含2根光纤6根功率线缆&绝缘层)；燃料电池采用可再生燃料电池，利用月昼期间的太阳能进行电解水，月夜产生燃烧反应发电，功率密度为364 W∙h/kg；激光无线传能利用中继星的太阳能帆板收集太阳能并转化为电能，通过激光传输给月表的基站或子站进行供电，其中中继星上部署的发射装置可一对一进行集中式无线传能，也可一对进行分布式无线传能，链路效率约10%．采用RTG是质量最轻且技术成熟度好的能源技术途径，但采用温差发电的990 W RTG电池，需要Pu 238的质量达到37 kg，目前国内规划的产能尚难以满足要求．分布式无线传能虽然能减少使用电缆，但由于其设备较重，并未带来质量上的显著优势，且目前来看其可靠性较差．采用可再生燃料电池是最优的能源技术路径，具有较高可靠性的同时，弥补了传统太阳能锂电池能量密度较低的缺点．3.5　阵列原位部署月背大规模天线阵列须要布置在10 km×10 km量级的区域范围内，在如此规模的区域内，完成102量级偶极子天线的部署是一项浩大的工程，须要突破月面物体大规模转运、天线部署精细操作等多种月表操作技术．根据科学需求，20个子站须实现图12所示的螺旋线阵列构型，若采用月球车对图12所示子站阵列沿螺旋线进行一次性部署，工程实现存在以下问题．10.13245/j.hust.240774.F012图12子站螺旋线阵列构型a．月球车承载能力需求高：各子站串行连接，须月球车具备20个子站(400 kg+电缆)的承载能力．b．月球车月面生存需求高：月球车须要通过自身能源、月夜生存设计，实现连续20个子站的依次部署．c．月球车移动能力需求高：月球车运行路径较长，尤其外圈的6个子站点位．因此，当实际开展阵列布设时，采用图13所示的辐射状路径完成子站布设，将螺旋线分解为7条部署路径，每条路径上包含2~3个子站，月球车完成每条路径上的天线子站部署工作后，原路返回，依次实施每个子站天线节点的展开工作．10.13245/j.hust.240774.F013图13子站布设路径设计采用月球车进行子站及天线节点在月球表面的搬运、部署及相对位置测量，月球车部署天线阵列概念图见图14，月球车在月昼期间工作，每个月昼可移动距离不小于15 km，行驶速度不小于40 m/h，工作期间主要采用太阳翼供电，太阳翼面积1.4 m2，寿命末期太阳翼输出功率269 W，并具备如下能力：10.13245/j.hust.240774.F014图14月球车部署天线阵列概念图a．自主路径规划和避障功能，爬坡能力不小于20°；b．高精度相对位置测量功能；c．高精度视觉图像三维反演与测量功能；d．具有子站搬运与释放能力，承载能力不小于80 kg；e．配置灵巧机械手，完成子站固定与天线节点部署；f．遥操作功能．3.6　数据传输探测阵列所有探测数据汇总于阵列主站，因探测阵列部署在月球背面，主站无法与地球直接进行通信，因此须要通过月球轨道中继通信星，用于将科学数据回传地面．中继星运行于16 Mm×500 km附近的环月椭圆轨道，中继天线口径1.6 m，采用Ka频段通信，基站在月昼期间进行数据上传，上行速率不小于12 Mbit/s，每月昼可实现不小于1 500 GB科学探测数据上行．4 结语本研究结合黑暗时代、天文观测对低频射电探测阵列的需求，给出了月背大规模射电探测阵列三步走的实施设想，并提出了第一步基本型建设的初步设计及月表原位建造部署方案，可用于月背大规模射电探测阵列建设的参考．对于基本型射电探测阵列，采用一次发射、月表原位部署的方案是可行的，但对于实现黑暗时代探测的包含104天线量级的业务型大规模射电探测阵列，采用地球发射的成本骤增，须要发展更前沿的月表原位建造技术．