兰州晚报:首个“中国航天日” 听专家讲 510所光辉“星程”

文章来源:兰州晚报 发布时间:2016-04-26

2016年4月6日凌晨1时38分,我国首颗微重力科学实验卫星——“实践十号”返回式卫星成功发射升空。卫星设计在轨完成涉及微重力流体物理、微重力燃烧等六大领域的19项实验。4月18日,顺利完成12天太空飞行后,“实践十号”卫星回收舱16时30分准确降落在内蒙古四子王旗预定着陆区域,卫星使命圆满完成。在4月24日首个“中国航天日”,记者获悉地处兰州市的兰州空间技术物理研究所(即中国航天科技集团第五研究院第五一〇研究所,以下简称510所),正是我国首颗微重力科学实验卫星核心部件“微重力测量仪”的铸造者,由510所空间探测载荷工程中心研制的微重力测量仪在轨运行良好,传感器遥测数据正常。当日,本报特邀510所副所长王润福及相关科研人员讲述了510所和“实践十号”的故事。

A.“实践十号”上的微重力测量“基准地平线”

“实践十号”卫星是我国首颗专门用于微重力科学和空间生命科学空间实验研究的返回式卫星。太空环境与地面截然不同,很多地面上的经验决不能轻易照搬到太空,否则将可能带来灾难。某些物质,比如庚烷液滴在燃烧时,火焰熄灭以后却并未停止燃烧,还在持续不断地“燃烧”,只是这种燃烧我们看不到火焰。同样,微重力环境下,流体的表现与地面也不相同。人类要进军太空,就要深入研究太空微重力环境下各种与众不同的现象。

510所副所长王润福告诉记者,2013年,国家确定再次利用外太空环境做一些科学实验,“实践十号”返回式科学卫星于是立项,开始研制。

“实践十号”距地面400多公里,以7.8公里/秒的第一宇宙绕地球飞行。这一次,“实践十号”的轨道设计由以往返回式卫星的椭圆轨道变为圆轨道,“橄榄”变“圆环”带来的是微重力水平的大幅提高,便于更好地开展微重力环境下的科学实验。

什么是微重力?微重力环境其实跟地球引力的关系不是太大,它主要是由其他外在因素造成的。比如,国际空间站、天宫一号和各种近地轨道卫星等,在高速运行时,会受到太空残余大气的阻力,由此带来“微重力”。其他如航天器进行姿态调整时产生的推力、人员在航天器内的走动,以及重力梯度等等都可能带来“微重力”。

“实践十号”上的微重力水平如何?微重力环境适合不适合开展科学实验?全凭510所研制的“微重力测量仪”说了算!

在地球上,由于地心引力的作用,物体受到的是1g的重力加速度。“‘实践十号’是我国首颗大规模无人微重力实验卫星,这次将需要精度最高的实验放在卫星最好的部位,微重力水平可以优于10的负6次方重力水平,而卫星总体环境是10的负4次方重力水平。”王润福说,在这样的环境下,材料内部和生命体征都会有很大变化,“微重力测量仪相当于‘实践十号’整星微重力测量的一个‘基准地平线’”。

“实践十号”微重力测量仪主要用于测量卫星在轨飞行期间的微重力加速度,实时获取微重力加速度的方向、量值、频谱及其变化等准确的数据,研判微重力水平环境,进而为降低微重力干扰提供设计依据,属于工程参数测量分系统设备。王润福说,微重力测量选择了“晶振”,就是晶体振动。晶振是频率源的核心,是一些敏感元件,本身有固有频率,至少达到GHz。晶体振动频率与微重力加速度有相应的换算关系,外界一次小小的振动,晶振频率就会改变,由此可测出加速度。

此前,顺应我国微重力科学实验的需求,510所先后研制了几代微重力测量系统,应用于我国第一代返回式摄影测量卫星平台、我国第二代返回式国土普查卫星平台和神舟系列飞船,监测航天器的微重力状况,已获得了许多宝贵的资料。

“实践十号”上的微重力测量仪是最新一代微重力测量系统,已达到或接近国际水平。据510所科研人员李云鹏介绍,“实践十号”微重力测量仪动态范围、测量通道等性能指标的提升、功耗的降低、设计的小型化为将来微重力仪的系列化研制提供了新的思路,并且扩展了卫星平台应用范围,面对新的市场态势和机遇,510所星品自身质量的提高,将有效增强其市场竞争力。

B.波段雷达应答机助力卫星穿越“黑障”

C波段脉冲雷达应答机主要用于返回式卫星主动段、入轨段、运行段以及再入段的实时跟踪测量,它具有较强的实时性,能准确测量和预报返回式卫星的入轨点和返回落点,是卫星跟踪测轨的重要设备。

510所副所长王润福告诉记者,“实践十号”5公分C波段雷达应答机也是由510所研制。这是一种短波应答机。地球表面有一层等离子体,物体高速与等离子体摩擦时,会对电子信号形成屏蔽,形成“黑障”。而C波段脉冲雷达应答机性能指标优良,特有的频段使它可以在卫星返回过程中穿越“黑障”。它还可以同时回答地面多台雷达的询问信号,使得地面雷达能对卫星进行三站联测,大大提高卫星测量精度,进而提高卫星定位精度,实现全程实时监控。

据510所科研人员王铠介绍,这次使用的是原某型号雷达应答机,1999年研制成功,卫星于2002年发射并返回,在地面存储14年后首次实现再次装星使用。它是“实践十号”、也是中国航天返回式卫星上首个超过10年的复用设备。

王润福说,近年来世界上主要的航天国家和组织都在大力推进商业航天,“可重复使用”和降低成本成为目前国际主流趋势。C波段脉冲雷达应答机为我国探索了卫星产品的重复使用技术,是“实践十号”卫星的一大亮点,为我国后续开展可重复使用航天器的研制打下了技术基础。航天产品可重复使用对于节约高昂的航天产品研制成本、缩短研制周期具有重要意义。

据了解,雷达应答机系列设备项目最早于1979年正式列入型号研制,1982年9月第一次装载卫星,并顺利完成了卫星轨道测量和卫星返回落点预报的任务,是510所第一个星上产品。后经几次重大技术改进,分别在6个批次某型号卫星和育种卫星上使用,历时30年,20余次装星使用均获圆满成功。

此外,510所在“实践十号”上新型设备的应用还有多功能材料试验炉和热控对流风扇等。(何燕/文 甘霖/图)