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重大科研活動

載人航天

載人航天工程

 
 載人航天工程

  

   我國載人航天工程的四項基本任務之一是面向國家戰略需求,跟蹤國內外先進科學技術領域,瞄準未來航天技術發展和空間資源開發的方向,開展空間對地觀測和空間探測,進行空間科學與技術實驗。中國科學院是我國載人航天工程應用系統的牽頭單位,經過廣大科技人員近十年的潛心設計、研究和試驗,出色地完成了船載試驗儀器和相關配套地面系統的研制試驗,相繼取得了神舟一、二、三、四、五號飛船應用試驗任務的圓滿成功。空間中心是我國載人航天工程應用系統總體的依托單位(截止到2003年11月光電研究院成立前),除承擔總體性的各項工作外,還承擔以下幾方面的工作:


1 有效載荷公用設備分系統

   有效載荷公用設備分系統是載人航天工程最重要的分系統之一。它的主要任務是根據應用任務的總體要求,研制有效載荷公用設備包括電源設備,數管設備和通信設備,將各艘飛船上分散的應用系統有效載荷有機地連接在一起,構成相對獨立的有效載荷系統,與飛船有關部分接口。公用設備力求標準化并具有通用性,以適應各艘飛船不同載荷的不同要求,減少各艘飛船技術狀態的變化。為四艘飛船有效載荷提供電源配電和部分二次電源;進行數據管理,完成數據采集,處理,存儲、傳輸,指令分發,以及運行管理;并為有效載荷提供專用的高速數傳通道,向有效載荷應用中心傳送科學數據。

   公用設備分系統在神舟號系列飛船上研制成功并運用了多項具有國際先進水平的系統技術。公用設備分系統研制成功了以1553B總線為基礎的分布式數據管理系統,首次在國內航天器上采用了先進的CCSDS高級在軌系統數據標準,研制成功能將來自不同載荷不同速率的數據按照CCSDS標準異步復接為串行位流的關鍵設備——高速多路復接器,研制成功采用QPSK調制方式的S波段發射機,研制成功了具有RS糾錯編碼、存儲失效檢測和旁路功能的高可靠的固態大容量存儲器,系統采取了“自頂向下”的設計與“自底向上”的實現,使這一復雜系統的綜合與集成得以順利完成。系統的總體方案設計和實現技術與代表當今世界上同類技術最高水平的國際空間站哥倫布艙非常類似,如采用分布式結構、雙冗余的1553B總線和符合CCSDS標準的數據格式。但在方案提出和工程實現上先于哥倫布艙,并在神舟一號至神舟五號飛船上在軌運行正常,性能穩定可靠,圓滿完成飛行任務。

2 有效載荷應用中心

   在我國載人航天工程的支持下,在中科院空間中心建立的有效載荷應用中心,對飛船有效載荷的在軌運行控制與管理、有效載荷應用資料產品的預處理和應用分發提供了有效的支撐作用。

   建設的科學數據接收接收站設計方案先進,性能指標高,具有多極化,極化分集,優值高,多制式,多數據流,碼率可變,半球跟蹤,多任務和可擴充等特點。通過執行神舟一、二、三、四號飛船的飛行任務,證明系統具有完善的功能,它與美國哥達德飛行中心(GSFC)下屬的科學任務中心(SMC)、歐空局ESOC下屬的有效載荷操作控制中心(POAC)、法國空間局(CNES)下屬的空間應用中心(CADMOS)等同類機構比較,設備配置和軟件水平均已達到了國際先進水平。


3 多模態微波遙感器

   利用空間微波遙感進行對地觀測具有全天候、全天時的特點,正在受到各先

進國家越來越廣泛的重視。空間中心負責了神舟四號飛船上的主載荷—多模態微波遙感器的研制工作,這是我國第一次進入太空的微波遙感器。因此,其工作受到了國內外的廣泛關注。多模態微波遙感器體系是我國獨創。它集頻率覆蓋6.6GHz到37GHz的五通道微波輻射計、測高精度為10厘米的微波高度計和正交筆型波束掃描風場測量微波散射計三個模態為一體,采用統一監控、統一數管等技術,形成具有特色的一體化體制,對地觀測時形成多種復合觀測模式,可以獲得更多的觀測信息。三種模態組合在一起共同對地觀測是國際上首次采用的技術,具有創新特色,和國際上具有相同功能的設備相比,體積小、重量輕、功耗低的明顯優勢。經過科技人員十多年的努力,攻克了一系列關鍵技術,填補了國內空白。在軌運行中,三個模態在統一數管監控下形成各自獨立的信息通道,分別獲取各自的數據。神舟四號多模態微波遙感器主要實驗目的是:驗證技術體制、驗證各模態功能、驗證數據定性趨向分析、作應用實驗。整個在軌運行期間,多模態微波遙感器獲得了大量的海面與陸地亮溫數據、海面高度數據、部分風場數據以及重點地區后向散射數據,數據情況很好。其中一些數據已經被海洋局和中科院相關研究所進行了應用處理。多模態微波遙感器的發射成功為我國氣象衛星、海洋衛星及其它微波遙感衛星的研制及業務運行打下了堅實的基礎并提供了寶貴的經驗,使我國在國際航天微波遙感領域中占有一席之地。


4 空間環境監測和預報

   空間環境及其變化情況關系到航天器和航天員的安全,是開展航天活動的各個國家非常關注的問題。空間中心在空間環境預報及監測的研究方法和手段方面已有比較成熟的經驗,為航天器的設計研制提供了依據,為神舟飛船的歷次成功發射和運行提供了有效的空間環境安全保障服務。

4.1 空間環境監測

   空間中心研制的高能質子重離子、高能電子、單粒子、低能粒子、電位、大氣成分、大氣密度和固體徑跡等空間環境探測器,在神舟號各艘飛船上開展了綜合性的空間環境探測試驗,取得大量的探測資料。我國首次獲得了高層大氣成分質譜圖和大氣中主要成分的日變化特性,展示出該軌道空間大氣環境實質上為原子氧氣層;首次獲得了飛船軌道范圍內十分相近的準全球性大氣密度探測資料,得到了十分珍貴的23周太陽活動峰年期間寧靜時區、活動時區和地磁擾動時該軌道高度上的大氣密度變化資料,發現非日照區南緯20度至北緯20度區域內存在著大氣密度異變區;得到了該軌道高度上帶電粒子的分布情況,帶電粒子以高能電子為主,質子和重離子較少,且主要分布在南大西洋上空;飛船的表面電位不高,并且在光照區和陰影區呈現不同的電位狀態。空間環境探測試驗獲得圓滿成功。

4.2 空間環境預報

   空間環境預報中心通過收集并綜合分析國內外天基和地基觀測資料,發布遠期、中期、近期空間環境預報,通報飛船發射、運行期間的空間環境狀況,對可能出現的空間環境異常提出警報,提供有關太陽活動、空間輻射、地磁活動、軌道大氣密度、微流星等參數和分布模式,估算這些空間環境對飛船可能產生的影響并提出應對建議。空間環境預報中心在神舟飛船的歷次發射和運行中,成功完成了空間環境的安全保障服務。在 “神舟一號”發射前,對獅子座流星暴做出了準確的預報,并對上級部門提出了修改發射日期的建議。上級領導在認真考慮了空間環境因素后,將發射日期推后了兩天。因為空間環境影響而推遲飛船發射日期,這在我國航天史上還是首次。在“神舟五號”發射前,作出了準確的預報,使上級主管部門堅定了發射的決心,排除了外國某些干擾,受到了各級領導的嘉獎。


5 空間科學實驗裝置

   空間的微重力、高輻射、高真空、高潔凈資源的開發和利用是各國開展空間活動時關注的重點。開展空間科學研究,建立空間實驗方法、探索機理、認識規律、積累經驗可以指導地面的科學實驗,并為空間材料加工、空間生物制藥等空間應用科學奠定基礎。空間中心在空間科學研究裝置承擔了以下方面的工作:

5.1 空間自由流電泳儀

   利用空間特有的環境條件,探索空間環境對生物體的影響,進行空間生物學效應的實驗和研究,以及開展生物材料加工方法、技術和應用的實驗和研究是生命科學研究的前沿領域。在神舟四號飛船上裝載的自由流電泳儀由空間中心研制,實驗設備在軌運行正常,性能良好,達到預期設計要求。與在地面試驗相比較,在空間進行蛋白質電泳分離可獲得更好的效果。科學實驗的成功,填補了我國在此領域的空白,標志著我國已經初步掌握了這一領域的實驗技術,得到的大量工程技術參數和科學實驗資料必將為后續的空間生命科學研究奠定基礎。

5.2 空間晶體生長爐控制系統

   空間晶體生長爐由中科院上海硅酸鹽所、空間中心和航天科技集團510所聯合研制,在一次飛行中可進行6種材料的空間制備研究。空間中心研制的控制系統是載人航天工程系統中進行空間材料制備研制的主要硬件設備之一,采用了PID全數字閉環控制,具有較高的控溫精度,在神舟1-3號飛船上進行了多工位空間晶體生長爐在軌運行實驗,進行了空間材料熔融結晶過程實時觀察、半導體光電子材料的空間晶體生長、氧化物晶體材料、金屬合金和金屬復合材料等12種材料的空間實驗,得到了微重力下熔液表面張力對流的實時圖像和均勻致密的材料試驗樣品,順利完成了各次的晶體生長任務,實際性能優于設計指標,獲得了有研究價值的實驗結果,為我國空間材料科學領域的研究做出了重要貢獻。

5.3 空間物理主動實驗研究

   利用電子槍開展氣球主動實驗研究:利用電子槍在氣球上開展空間物理主動實驗研究,其內容包括有關臭氧和紅閃等實驗科學目標的調研準備工作以及對本實驗的人工電子擾動的注入對臭氧層和大氣光學中的紅閃的影響的初步預計。研制了脈沖高壓放電電子槍,并經深入研究,制定了可行的實驗方案;空間等離子體主動實驗的地面實驗研究:在國外利用化學釋放方法開展空間等離子體主動實驗的基礎上,本課題對為開展空間物理主動實驗在地面實驗室進行的準備工作及其和空間實驗研究課題有關的理論工作進行了深入的研究,并取得了初步的成果。

5.4 微重力流體物理研究

   微重力流體物理研究是空間材料科學與空間生物工程研究的基礎,不僅在基礎理論研究方面具有重要意義,在應用科學研究方面也具有重要地位和發展前景。由中科院力學所和空間中心研制的微重力空間通用流體實驗裝置突破了關鍵技術,在我國神舟四號飛船上進行的實驗在軌運行正常,取得了全部工程參數、液滴遷移圖像和溫度場干涉圖像,實驗獲得圓滿成功。這次實驗的成功為今后的空間流體物理實驗提供了寶貴的知識積累和經驗,標志著我國的微重力流體物理科學研究和實驗技術達到了國際先進水平。

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