西方肯定会疯的:“神七”卫星可终结“非合作目标”

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导读:[img]http://p.qihoo.com/pic/1e026cq19b9c[/img] 神舟七号模型,顶部金、蓝色方盒为小卫星 [img]http://p.qihoo.com/pic/1e01953q5b39d[/img] 本图为理论虚拟效果图,与实际情况有差异。 上海微小卫星工程中心供图 科学时报 神舟七号载人飞船载人航天飞行任务的亮点,除将开展航天员出舱活动外,就是在神舟七号载人飞船自主飞行第31圈时,释放一颗伴飞小卫星,利用这颗伴星,对飞船进行照相和视频观测

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神舟七号模型,顶部金、蓝色方盒为小卫星

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本图为理论虚拟效果图,与实际情况有差异。 上海微小卫星工程中心供图







科学时报


神舟七号载人飞船载人航天飞行任务的亮点,除将开展航天员出舱活动外,就是在神舟七号载人飞船自主飞行第31圈时,释放一颗伴飞小卫星,利用这颗伴星,对飞船进行照相和视频观测。


"此次伴星试验任务一旦取得成功,标志着我国将成为世界上少数几个掌握空间释放和绕飞技术的国家。"神舟七号飞船伴星分系统的主任设计师、上海微小卫星工程中心研究员朱振才在接受记者采访时表示。


不仅仅是"伴飞"


伴随卫星是伴随在另一航天器附近作周期性相对运动的卫星。伴随卫星大都具备一定的轨道机动能力,它往往以空间站、航天飞机、载人飞船或大卫星等大型航天器作为任务中心或服务对象(简称主星),与主星按照一定的空间相对构型共同在轨飞行。


"其运行模式就相当于月球在绕着地球转的同时也在绕着太阳转。"朱振才向记者介绍,神舟七号飞行任务是我国首次开展航天器平台在轨释放伴星,以及伴星的伴随飞行试验。


朱振才透露,伴星的想法是在2002年、2003年进行空间实验室的论证时提出的。当时是希望能在空间实验室上释放一颗小伴星,跟空间实验室进行配合和合作,进行一些技术集成的验证。有专家提出,应首先和其他卫星一起搭载进行小卫星释放技术的验证和试验。正好"神七"的轨道舱在航天员返回之后就没有其他作用而成为自由飞行物了,于是希望利用"神七"轨道舱,搭载一个小卫星,实现释放小卫星的试验。


尽管在此次任务中,伴星对整个神舟七号载人飞船载人航天飞行任务没有直接的支持作用,但是通过这次试验,可以为以后的大型航天器或空间实验室的释放技术作技术储备;与此同时,伴随小卫星技术还可为航天器的在轨监测提供技术支撑。


"在执行航天器交会对接、航天员出舱活动,实施舱外结构安装、舱外人工修复等任务时,还可以利用伴星提供舱外现场监视、航天员安全监视、空间环境突发事件监测。"朱振才说。将来,也可以利用伴星和主星,或者释放多颗伴星组网,可以实现多星协同工作,完成一颗卫星单独无法实施的应用任务,提高主星应用效率,扩大应用领域。


正因如此,此次伴星的任务目标主要有3个方面:一是试验和验证伴星在轨释放技术;二是伴星释放后,对飞船进行照相和视频观测;三是在返回舱返回后,由地面测控系统控制,择机进行对轨道舱形成伴随飞行轨道的试验,为载人航天工程后续任务中拓展空间应用领域奠定技术基础。


难就难在"小"上


伴星安装在神舟七号飞船轨道舱的前端上方,利用弹簧实现伴星和飞船的释放分离。在航天员返回轨道舱后,通过飞船遥控指令或航天员手动控制指令,点火器点火,爆炸螺栓起爆将伴星与飞船分离,同时行程开关接通,为伴星输出星船分离信号。


那么,在整个伴星研制中究竟有何技术难点?


"难就难在‘小'上,就像要把一个大巴车压缩成小轿车。"上海微小卫星工程中心研究员、神舟七号飞船伴星总师助理陈宏宇在接受《科学时报》记者采访时说,按照载人航天工程总体的要求,神舟七号飞船伴星的总重量只有40公斤重,体积是450mm×430mm×450mm。但是麻雀虽小,五脏俱全。伴星作为一个小卫星,推进、姿控、高速数传、USB测控、GPS自主定轨、有效载荷、大容量存储等一应俱全。


为了满足40公斤的限制,研究人员可谓绞尽脑汁。陈宏宇举例说,像姿控太阳敏感器在以前的小卫星上就已经很小了,但在伴星上还是嫌大,研究人员只能先把它切分成三片,一片片设计,然后一片片分装在卫星不同的表面上,最后三个面的太阳敏感器总重只有几十克,功率也只有150毫瓦。再如,伴星上的彩色双镜头视频相机只有1.8公斤,推进模块干重只有1.6公斤。


"有时人也需要压力,如果当初给我们50公斤的任务,我想我们也只能做出50公斤的样子。"陈宏宇坦诚地说。


然而正是因为体积小、重量轻,伴星技术同时具备成本低、研制周期短、性能高、高新技术含量多、发射方式快速灵活等优点,因此越来越受到青睐。掌握微小卫星研发尤其是掌握在轨释放技术是体现航天大国能力的重要标志之一,是各航天大国竞相发展的一个前沿热点。


目前,伴星技术已是国际上航天领域的一项重要应用技术,国外已有多个研究和发展计划,如德国的Inspector计划、AERCam微纳卫星、美国的XSS飞行器、Livermore微小卫星等。1997年首先实现了Inspector卫星由奋进号飞船发射,并实现绕飞。现已有多颗类似的伴随航天器发射上天进行技术试验。


高新技术的集成


2003年10月21日,中国科学院知识创新工程重大项目"创新一号"存储转发通信小卫星成功发射入轨,这是我国自主研制的第一颗100公斤以下的微小卫星,也是我国第一代低轨道数据通信小卫星。神舟七号载人飞船的伴星就是在继承中科院创新一号小卫星成熟技术的基础上研制的我国第一颗空间伴随微小卫星。


"从技术上讲,‘神七'伴星与创新一号小卫星在技术上有一定的继承性,同时它具备更多的技术突破,而使用和验证高技术正是小卫星技术的一个重要特点。"陈宏宇告诉记者。


例如,"神七"伴星就采用了多项创新设计,突破多项关键技术,许多技术在国内属首次使用。伴星采用了两舱结构一体化设计,采用了轻型镁合金材料作为主结构框架,承力板同时用作星内单机的安装板,提高了卫星的功能密度。使整星质量不超过40公斤,同时具有光学成像、大容量压缩存储、机动变轨、伴随飞行、自主导航、多模式指向、测控数传等多种功能。


朱振才说,"神七"伴星还实现了多项技术突破。首先是彩色视频和高效信息存储。"神七"伴星上装有一台双镜头可见光照相机,可以灵活利用两个不同焦距的镜头分别在几米到几公里的大范围内对飞船进行彩色照相观测或视频观测。星上JPEG2000图像压缩算法极大提高了数据存储的效率。星上大容量存储器最多可以存储3000多张图片。


其次是高效电源模块。主要采用的国产三结GaInP2/GaAs/Ge高效太阳能电池阵,其光电转换效率高于26.5%,接近国外先进水平;伴星在国内首次采用了大容量锂离子电池作为在轨航天器电源,并通过对电源控制器的优化设计,实现对锂离子电池组的安全控制和智能保护,保证伴星在轨电源供给。


第三是多任务指向模式的微型化姿控模块。"神七"伴星具有GPS自主定轨能力和三轴稳定姿态控制能力,除了常规对地姿态定向外,还具备对飞船定向、变轨姿态机动和指向、对伴飞目标定向等多种指向功能。构成姿态控制模块的太阳敏感器、磁强计、陀螺和动量轮、磁力矩器等均采用了微型化设计,其中三轴微型磁强计采用探头与电路一体化设计。


第四是微型液化气推进。伴星装有一套微型液化气推进系统,实现轨道机动、空间目标接近、轨道绕飞形成和保持。该系统具有体积小、重量轻、功耗低等优点。通过天地大回路控制,


★★★★★开展对非合作目标的接近及近距离绕飞,★★★★★


此项技术对我国未来的空间交会对接和轨道安全性技术均具有重要应用价值。


五是小型化测控与数传。"神七"伴星采用统一S波段测控体制。安装USB测控应答机,实现国内测控网对在轨伴星的统一测控管理;还安装有一台高速数传机,可将相机在轨拍摄的图像数据快速下传地面。


安全是第一位的


"从某种程度上说,小卫星是高新技术的集成,但载人航天工程总体对我们的要求是:安全是第一位的,也就是在我们完成任务时,不能对‘神七'飞船和航天员有安全性隐患。而这,也是我们面临的最大的压力。"朱振才说。


最典型的例子就是,此次伴星首次采用了大容量锂离子电池技术。"关于锂离子电池安全性的试验贯穿了我大部分时间。"朱振才说。


按照工程总体的要求,研究人员必须在原理上、设计上、使用中都要保证电池在充电时不会发生爆炸,同时还要在实验上验证,倘若发生爆炸,也不会对航天器和航天员产生风险。


"其实最难的不是让电池不爆炸,而是如何让电池在真空的环境和在轨实际充放电状态下发生爆炸,而又不对伴星以外产生危害,可以说是不是任务的任务。"朱振才说。


轨道控制也是设计安全性的一个难点所在。朱振才告诉记者,伴飞时,伴星离"神七"轨道舱平均距离较近,在轨道设计上,必须保证两个飞行器在各自高速飞行时不会发生相撞。伴星的释放速度越快,伴星就能距离轨道舱越远;但是从研究的角度说,要完成伴星拍照的试验,研究人员不希望伴星飞得太远;另外,速度太快也容易造成伴星的姿态扰动过大,因此,也不要在释放出去时速度太快、太高。


"我们必须采取一种合理的方式,既保证工程的安全性,也要让我们的试验要求完整实现。"朱振才说,最终伴星释放的速度也是经过了多次的调查和试验验证才确定下来的。





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