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中国返回式卫星成功四十年(下)

时间:2016年04月08日 信息来源:中国航天 点击: 【字体:


三、搭载科学试验概况


  在完成主任务的同时,大部分卫星上都开展了搭载科学试验,包括有源搭载试验和无源搭载试验。


  1.有源搭载科学试验


  (1)FSW—O~FSw一2上的有源搭载在FSW一0、FSW一1 SHFSW一2上开展了很多有源搭载科学试验。有源搭载是指卫星平台给用户提供电源、控制指令和工程遥测数据的搭载试验。这些试验包括以下4个方面:
 

 1)空间生命科学试验(4次)
 在中国返回式卫星上进行的生命科学试验主要是空间蛋白晶体生长试验3次,空间细胞培养试验1次,空间生物培养1次,空间微生物培养1次。3次蛋白晶体生长试验中,一次是1988年发射的FSW一1上搭载的德国蛋白晶体生长试验;另外两次是1992年和1996年发射的FSW一2上搭载的中国科学院蛋白晶体生长试验。在进行细胞培养和微生物生长试验时,生物箱在卫星入轨后12分钟由程控开机j星上时间7天后由遥控关机。该试验取得了成功。

  2)空间材料加工试验(7次)
  空间材料加工试验主要是两种半导体材料的空间晶体生长,一种是砷化镓半导体材料,共进行7次试验(FSW一0上1次,FSW一1上4次,FSW一2上2次);另一种是碲镉汞半导体材料,在1992年发射的FSW一2上进行了1次试验。几次在轨试验设备工作正常,得到了我国空间材料试验的科技成果。

  3)卫星应用技术试验


 ■微重力测量(3次)
 1987年在FSW一0上为法国马特拉公司进行了1次测量,1990年在FSW一1上和1994年在FSW一2上为我国各进行了1次测量。星上微重力测量结果表明,在有机械或大部件开机的情况下,卫星的微重力量级为0.1~1.4mg,卫星轨控发动机工作时为1.1 5rag,姿态控制执行机构喷气时为90~300“g,星上无动作时为5~50 u g(19=103 mg=106 u g)。测量结果为FSW一2卫星的微重力环境提供了准确数据。
 ■GPS自主定位试验
 试验单位是中国空间技术研究院卫星信息工程研究所。卫星在轨飞行时进行了数据注入和捕获试验。卫星测控中心组织有关台站进行了轨道的三站联测,将联测数据与GPS测得的数据进行比对。试验结果说明,用GPS信号为卫星测轨定轨的精度达到世界先进水平,试验获得成功。
 ■光盘信息存放试验
 卫星在轨飞行时,进行了光盘信息的存放试验,试验获得成功。
 ■空间电子传输试验
 整星在轨飞行和回收后卫星留轨进行了多次传输试验,取得了预期的成果。


 (2)FSW-3上的有源搭载2005年8月29日,在FSW一3(03)星上,完成了4项搭载微重力科学试验。4项试验由一个共用控制器进行控制。其试验情况如下:


 1)空间池沸腾传热试验

 此试验主要研究在热线加热情况下池沸腾传热特性。系统由液池、测量控制部分、预热及控温、液池压力调节以及照明与图像记录等部分组成。试验用CCD记录了沸腾过程的气泡行为特征,为分析沸腾机理获取了有价值的资料。
 2)气泡热毛细迁移试验
 此试验研究由于存在温度梯度,导致产生气泡的热毛细迁移规律。数据记录单元记录了视频图像和模拟信号。
 3)空间熔体表面和液、固界面特性表征试验

 本试验通过对银基合金$l:IGaSb化合物半导体进行润湿性及液/固界面特征研究,控制系统和图像传送系统。试验连续记录了微重力下金属合金和半导体熔滴熔化、凝固的形貌以及熔体与基片的接触情况,得到了有关的试验数据。
 4)空间细胞培养试验
 本试验采用工程化研究和细胞试验、生物力学研究同时并举的方法,利用鱼类鳃呼吸气/血交换和微循环跨壁输运的生物力学原理设计。


 (3)Sd-8的有源搭载试验
 为了更好地发挥返回式卫星的效益,在确保卫星主任务完成的前提下,利用卫星装载、供电、测控等方面的剩余能力,在SJ一8卫星上开展了搭载科学试验。有关搭载科学试验的情况如下:


 1)中科院的9项微重力搭载试验

 这些试验包括物质传质过程试验、热毛细对流试验、材料焖烧试验、导线着火特性试验、微重力池沸腾试验、高等植物生长试验、干细胞培养试验、星载加速度计试验、颗粒物质运动试验和试验服务系统。在整个试验期间各设备工作正常,卫星每次过北京密云站都得到了完整的下行数据和图像。当返回舱返回地面后,经事后处理获得了在轨期间的试验数据和图像。各项试验都
取得成功。
 2)空间技术研究院的2项卫星应用试验
试验分别为铷钟搭载试验和控制分系统推进剂剩余量测量试验。
 3)暗物质探测试验
 在S]-8卫星上,还进行了中科院紫金山天文台的一项空间暗物质探测试验。


 2.无源搭载科学试验


 除了有源搭载科学试验外,还利用卫星剩余的载荷装载能力,在所发射的返回式卫星上开展了大量的无源搭载试验。包括以下的试验项目:


 (1)植物种子、微生物和虫卵等,粗略统计有900多件。其中最多的是农作物种子搭载试验。


 (2)空间辐射剂量测量装置,粗略统计有100多件。该试验为宇航员所处空间辐射环境和所受到的生物辐射影响进行了基础研究。


 (3)半导体功能器件、航天用摄影胶片等,共计20多件。
 1987年搭载的青椒种子,返回地面后经过多年的选种、培育,获得了丰产、优质、抗病力强的优良品种。有的青椒单果质量达5009以上。这种青椒已进行较大面积的栽培,保持了稳定的产量和优良的品质。目前有些粮食作物如水稻、小麦和油菜种子,也是经空间飞行后,再通过地面培育选种得到的。除种子外,还有很多微生物菌种,作为无源搭载样品在返回式卫星上进行了试验。试验表明,有些菌种在轨飞行时生长比地面快。样品返回后用于生产抗菌素、生物酶等医药产品,产生了明显的经济效益。


四、正在研制的实践十号卫星


 1.任务简介


 实践十号返回式科学实验卫星利用我国成熟的返回式卫星技术,紧密围绕有关能源、农业和健康等领域国家科技战略目标,结合航天器防火等关键技术需求,促进地面生物工程、新材料等高技术发展和生命科学等基础研究取得突破,对于推动我国空间微重力科学和空间生命科学发展具有重要意义。


 2.微重力科学项目科学目标:


 实践十号返回式科学实验项目经过多次的遴选,确定了微重力科学实验项目1 0项,空间生命科学实验项目9项,其任务的科学目标是:


 (1)微重力流体物理:研究对流、相变(蒸发、沸腾)传热的内在机理及动力学过程和不稳定性,发现新的规律,检验自主的物理模型;验证我国的颗粒气体类分子气液相分离理论;利用典型胶体体系研究纯熵驱有序相形成和演化过程,获得结构形成和动态演化信息,探索裂纹形核、液晶相形成和金属纳米粒子自组装机制;精确测量含中国石油样品的Soret系数,研究多组分介质的交叉扩散规律。


 (2)微重力燃烧科学:揭示微重力下载人航天器典型可燃材料的着火及燃烧规律,揭示我国典型煤在无重力场干扰理想条件下的热解、着火、燃烧和污染物生成规律,为地面煤燃烧发展更准确的理论和模型。


 (3)空间材料科学:揭示晶体生长过程中掺杂原子的选择性占位规律和合金组织形态形成与演化机制,深入理解材料从熔体中形成的界面动力学并发展相关理论;实现由扩散支配的质量输运过程,获得在地面重力场中难以生长的组分均匀、大尺寸半导体晶体和高品质金属合金及复合材料。


 3.空间生命科学项目科学目标:


 (1)空间辐射效应:应用模式动物、模式植物和动物细胞,定量定性地分析不同辐射品质引起功能基因组、蛋白质组表达的特征,挖掘空间辐射损伤、遗传变异机制及空间辐射敏感性分子标记,揭示空间辐射环境影响家蚕发育的分子机制,为空间辐射预警、修复和空间辐射诱变的应用提供基础理论数据。


 (2)重力生物效应:发现微重力下重要生物学过程的基本规律,揭示植物、动物、微生物等生命体对微重力的感受、传导、响应机理及其功能调控的机制。包括:a)系统研究微重力下植物基因表达的时变规律、信号传导的级联反应,b)定量阐明微重力下动物体内物质输运的变化规律及其对细胞物质代谢、结构重组以及增殖与分化的影响。


 (3)空间生物技术:探索微重力环境对哺乳动物早期胚胎发育、干细胞定向分化、三维培养和组织构建的影响及其规律,揭示细胞、胚胎和组织响应微重力的机制。包括:a)首次研究微重力下哺乳动物早期胚胎发育,b)首次开展微重力下造血与神经干细胞三维培养与组织构建的研究,C)首次开展微重力下人骨髓间充质干细胞向骨细胞分化的研究。


 4.卫星的主要技术指标


 卫星总质量≤3600kg,飞行12天回收,留轨试验3天,轨道倾角42.4。,近圆轨道高度252km,运载火箭为CZ一2D,运载能力不小于3600kg,在酒泉卫星发射中心发射,在内蒙古四子王旗回收场回收,由西安卫星测控中心实施测控,数传数据接收站有密云、三亚、喀什。实践十号卫星自2012年年底立项,已完成卫星的方案设计、初样研制,目前进入正样研制的大型试验阶段。计划在2016年4月发射。

五、返回式卫星技术能力提升展望


 1.提高卫星平台的能力


 为了满足科学试验的需要,我们还要研制新一代返回式卫星。下一代返回式卫星将在能源、控制、数据管理、结构、热控等方面有比较大的改进。我们的发展目标是安装更多的有效载荷,创造更好的微重力环境,飞行更长的时间,以获得更多更好的科学试验成果。


 (1)能源能力的提升在能源方面,改进电源和供电方案,增加太阳能电源系统,为有效载荷和平台设备提供更多的电源。能源的增加可以延长卫星的在轨工作时间,为科学试验的有效载荷提供更多的能量,发挥返回式卫星更高的效益。


 (2)控制水平的提升在姿态控制方面,采用新型的姿态敏感器,采用动量轮控制。可以根据用户的要求提供比较高的姿态控制精度和姿态稳定度。如果作为微重力试验平台,还要考虑控制对卫星微重力环境的影响。在控制方式上,由原来的用陀螺、红外、太阳敏感器、控制计算机进行姿态测量控制的冷气喷气系统,改进为用陀螺、红外、太阳敏感器、星敏感器、动量轮、磁力矩器、控制计算机进行姿态测量控制的控制系统。


 (3)测控与数据管理的改进在数据管理方面,首先要考虑控制指令和工程遥测的最优组合与可扩充性,采用当前国际流行的OBDH数据管理系统或国内成熟的星务管理系统,以适应每颗星不同的有效载荷需求。其次要综合考虑星上工程遥测和高数据率的数据管理,以满足有效载荷高数据率传输的要求。


 (4)卫星构形的改进方面,关于结构与构形,要考虑卫星外形的继承和内部空间的扩大,尤其是提高卫星可回收载荷的能力。综合考虑结构、布局、设备安装和卫星热控的一体设计。在卫星设备安装的开敞性和地面维修的便捷性上提高设计水平。在能源消耗方面,通过机、热一体化设计,实现用比较小的代价将卫星的温度控制在合适的范围内。


 2.提高微重力水平
 利用返回式卫星进行空间科学试验,主要是利用空间的微重力环境。目前我们的返回式卫星微重力水平在10。~10。g的范围。要将微重力提到更高的水平,需在以下几个方面采取措施:


 (1)提高轨道高度
 以前我们发射的返回式卫星轨道近地点高度在200km左右,如果把高度提高到300km以上,对微重力水平将有比较大的提高。改变轨道高度要考虑发射、测控、回收区等方面的条件。


 (2)减少星上动力部件对微重力环境的影响
 星上动力部件产生的加速度和振动,会对微重力水平有很大的影响。可以考虑在关键试验时间段用停止姿态控制、轨道控制及其他星上活动部件的工作,来消除这些影响。


 3.开展国际合作
  我国微重力科学研究领域已组织召开和参加多次国际微重力研讨会。国际上欧洲、美国、日本等地区和国家,都在广泛开展微重力科学的研究。产生微重力环境的方法有多种,如落塔、空间抛物线飞行的飞机、卫星、飞船、空间站等。这些方法中落塔的微重力维持时间较短,在几秒的量级,飞机抛物线飞行在十几分钟的量级,卫星、飞船、空间站等航天器可提供十几天至几个月的持续试验时间。所以,在轨飞行的航天器的微重力环境是最理想的。但卫星在成本、易发射等方面又体现出很大的优势。所以,利用返回式卫星进行微重力科学试验在国际上有非常广阔的前景。

 2015年是第一颗返回式卫星成功返回40周年纪念年。返回式卫星是中国最早研发的几个卫星型号之一。无论是在卫星技术发展、卫星成果应用、研制队伍的培养等方面都取得了巨大的成就。

 在卫星技术发展方面,中国是第三个突破返回技术的国家。其中有许多关键技术到目前仍然是卫星技术的诀窍,例如再入防热技术、姿态控制、回收软着陆技术等。中国的载人航天技术也是在返回式卫星技术的基础上发展起来的。在卫星成果应用方面,卫星摄影图像数据已成功地用于我国国土资源、城乡建设、交通运输规划、地理位置的确定和地图的绘制等领域,创造了很好的经济效益和社会效益,为国民经济和国防事业做出了巨大贡献。
  在人才队伍培养方面,通过返回式卫星的研制与发射,培养了一大批航天技术人才,先后充实到载人航天、小卫星研制、深空探测、空间科学试验卫星研制等不同领域。尤其是载人航天领域,开始的骨干大都来自返回式卫星队伍。其中,许多人后来成为了中国航天科技领域的尖兵与功臣。


 上文选自《中国航天》如有需要请查阅该期刊。

(作者:唐伯昶 赵会光)
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