中国返回式卫星的空间科学应用与展望

发布时间:2010-10-27
  中国返回式卫星在空间科学研究过程中发挥了巨大的作用,特别是在航天育种方面取得了丰硕的科研成果,已经成为我国开展空间科学试验的主要途径。利用返回式卫星开展我国的相关科学研究,能够有效地配合国家农业、能源等科技战略目标的实现,促进生物工程、新材料等高技术的发展和基础研究工作的开展。
  
  返回式卫星的空间科学应用
  中国返回式卫星的研制起步于20世纪60年代后期,经过三十多年的发展,我国返回式卫星技术水平不断提高,承载和供电能力、环境保障能力、姿轨控能力持续增强,在轨寿命逐渐增长。返回式卫星大部分在完成主任务的同时,利用剩余资源搭载了上千个空间科学试验项目,这些试验为我国相关领域的经济、科技发展作出了重要贡献。
  2005年以前发射的返回式卫星上的空间科学试验一般是利用卫星的剩余能力搭载进行的。实践八号卫星是第一颗专门为航天育种等科学试验所发射的卫星。

  返回式卫星搭载的空间科学试验
  截至2005年,返回式卫星先后完成了十余次空间搭载试验任务,项目种类繁多,共有上千个试验样品,分为无源搭载试验和有源搭载试验两类,涉及空间生命科学、空间材料科学、空间微重力科学、航天新技术四个方面。这些搭载试验项目的成功实施对于推动中国的空间科学技术进步起到了极其重要的作用。
  在空间生命科学试验方面,航天育种是返回式卫星开展的重要搭载任务之一。根据初步统计,我国搭载了各类植物种子、微生物菌种等共计900多件。1987年搭载的青椒种子在经过多年的选种和培养后获得了丰产、优质、抗病力强的优良品种,现已进行了较大面积的栽培;搭载的其它粮食作物如水稻、小麦和油菜种子,通过地面的培育选种,都得到了优质增产的品种。卫星搭载的微生物菌种试验表明,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。在轨开展的空间蛋白晶体生长试验取得了圆满成功,10种样品中有6种长出了可供分析实验用的蛋白晶体,出晶率达到了国外同类实验的最好水平。此外,返回式卫星还搭载了100多件空间辐射剂量测量装置,为开展生物辐射影响研究提供了大量珍贵数据。
  在空间材料科学试验方面,主要开展的加工试验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,共进行过7次实验;一次为碲镉汞半导体材料,几次在轨试验设备均工作正常,取得了重要的科研成果。
  在空间微重力科学试验方面,主要开展了空间池沸腾传热试验、气泡热毛细迁移试验。空间池沸腾传热试验主要研究热线加热情况下池沸腾传热特性,获得微重力条件下沸腾的气泡行为图像资料以及对应的试验数据,试验用CCD相机记录了沸腾过程的气泡行为特征,为分析沸腾机理提供了有价值的资料。
  在航天新技术试验方面,主要开展了微重力环境测量试验、GPS自主定位试验、光盘信息存放试验。五院兰州物理所和法国马特拉公司都在卫星上开展过微重力测量试验,获得了卫星实际的微重力测量数据。GPS自主定位试验是在卫星在轨飞行时进行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,通过对联测数据和GPS数据进行比对表明,GPS的定位精度达到世界领先水平,试验获得成功。这些新技术试验所取得的成果,为我国航天新技术的推广应用奠定了良好的基础。

  实践八号卫星的空间科学试验
  2008年发射的实践八号卫星是一颗专为航天育种和微重力科学试验而研制和发射的,飞行试验活动取得了圆满成功。
  实践八号卫星所开展的航天育种工作主要是以粮食和经济作物为重点,兼顾了饲料牧草作物以及微生物菌种与已知序列的分子生物学材料。考虑各种作物的不同生态区域及基因突变频率,每一品种按3000粒计,共选择了9类180组200多公斤2000份作物和菌种等进行航天育种试验,主要品种包括水稻、麦类、玉米、棉麻、油料、菜瓜类、菌种等。此外,为配合开展航天育种机理研究工作,星上装载了7项用于空间环境探测的试验设备,主要包括微重力测量仪、辐射剂量仪、热释光剂量片、核径迹探测器和磁强计等设备。卫星回收舱回收后交付的种子样品完整无缺,按要求完成了空间背景参数的测量。
  为了更好地发挥卫星的效益和能力,在实践八号卫星上还装载了9项微重力科学试验项目、3项航天新技术试验项目。微重力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、干细胞培养试验等。航天新技术试验主要包括铷钟试验、贮箱推进剂余量测量试验等。此外,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。根据后期的调研,各类试验项目都取得了较为理想的成果。
  
  返回式卫星的应用需求分析
  我国空间科学试验需求
  根据国家科学发展规划,空间科学研究领域中存在大量符合国家重大需求、重大高技术探索和重要基础研究的试验项目需要及时开展空间飞行试验,这些项目主要集中在空间生命科学和微重力科学等方面。利用返回式卫星开展我国的相关科学研究,能够有效地配合国家农业、能源等科技战略目标的实现,促进生物工程、新材料等高技术的发展和基础研究工作的开展。

  我国航天新技术试验需求
  航天技术中的新技术、新原理、新仪器和新材料在投入实际应用前往往需要进行空间飞行试验。新技术搭载试验作为一种新技术飞行试验验证方式,具有成本低、试验验证环境真实等优点。
  以往的实践证明,利用返回式卫星易于实施、成本较低、试验样品可回收等优点,有利于开展航天新技术在轨试验项目应用研究。

  国际空间科学试验需求
  目前,国际上开展空间科学试验主要有两种途径:一是利用有人操作的载人飞船、空间站,二是利用无人的返回式卫星,两者相辅相成,各有侧重。利用返回式卫星开展空间科学试验具有风险小、微重力环境好、易于发射实施等优点。美、欧、日等空间大国在安排国际空间站任务的同时,都在争取返回式卫星的空间试验机会,我国返回式卫星一直受到国外用户的高度关注。近些年来,日本方面就曾两次来五院就微重力试验合作事宜进行交流。
  
  返回式卫星的空间应用展望
  国内外空间科学试验需求的快速增长,对返回式卫星的可返回载荷重量、微重力水平、支持服务能力等提出了新的要求。国家对返回式卫星的发展也十分重视,在民用航天“十二五”发展规划与指南中,将新型返回式卫星平台列为我国重点发展的卫星平台之一。新型返回式卫星届时将为空间科学试验提供更优质的服务。

  更大的可返回载荷承载能力
  新型返回式卫星平台将通过回收舱的相似放大、结构轻量化设计、卫星构型布局优化等措施,在保持现有星箭对接接口约束不变的前提下,将可回收的承载能力由280千克提升到600千克,达到国外同类返回式卫星的先进水平。

  更好的空间环境保障条件
  新型返回式卫星平台将通过在热控单相流体回路设计为试验载荷提供更好的环境温度;通过降落伞系统改进设计降低回收舱的着陆速度,从而有效改善着陆力学环境;通过在回收舱设置空间暴露试验平台,可以将科学装置直接暴露于真实的空间环境中。此外,卫星还可以设置空间环境测量装置,为在轨试验提供相关空间环境数据。

  更高的空间微重力水平
  微重力水平是空间科学试验的一项基本环境参数。新型返回式卫星平台将通过改进轨道设计、改进控制模式,并结合其它微重力影响控制措施,提高卫星的微重力水平,从而为空间科学试验提供更好的微重力环境。

  更完善的支持服务能力
  新型返回式卫星平台通过构建全新的综合电子系统,规范平台与有效载荷的接口关系,大幅提高对多载荷的控制管理、状态监测、数传存储等操作支持能力。通过采用先进高效能源技术,提高对载荷的供电能力。此外,卫星还可以根据载荷的需求提供特殊的支持服务。
  中国返回式卫星在空间科学研究过程中发挥了巨大的作用,特别是在航天育种方面取得了丰硕的科研成果,已经成为我国开展空间科学试验的主要途径。即将发展的新型返回式卫星平台,在平台能力和服务水平上有了较大幅度的提升,达到国外同类卫星的先进水平,能够更好地满足空间科学应用的需求,促进空间科学技术水平的提高,进而带动航天育种、生物制药等相关产业的发展,为我国国民经济的建设和发展作出新的贡献。(张正峰 等)
  (第一作者为中国空间技术研究院总体部返回式卫星室副主任)
  来源:中国航天报