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“实践”科学探测与技术试验卫星系列

“实践”科学探测与技术试验卫星系列形成时间较长,共包括6颗卫星。特别是1999年5月发射的“实践五号”小卫星是该系列最新的一颗卫星,卫星采用了先进的小卫星平台,主要用于空间环境辐射探测、单粒子效应试验、空间流体科学试验以及卫星工程新技术试验。

为了对航天任务急需的新技术进行先期试验,同时开展空间环境探测与空间科学研究,中国在刚开始研制卫星时,就开始发展了科学探测与技术试验卫星系列。从20世纪70年代至今,中国先后研制和发射了实践一号、实践二号卫星群、实践四号以及实践五号卫星,初步形成了实践系列科学探测与技术试验卫星。

在东方红一号卫星发射成功不到一年的时间内,在充分利用其技术的基础上,我国发射了科学探测与技术试验卫星系列中的第一颗卫星,即实践一号。20世纪80年代初,我国进行了一箭多星技术试验,即利用一枚运载火箭将3颗卫星送上天,这3颗卫星分别是实践二号、实践二号甲和实践二号乙。随后,我国利用火箭首飞试验的机会,研制和发射了主要用于地球同步转移轨道上的辐射环境与辐射效应测量的科学技术试验卫星,即实践四号。20世纪90年代末期,为了提高卫星技术为国民经济和空间科学研究服务的水平,推出了实践五号新一代科学探测与技术试验卫星,以适应多种不同空间科学和技术试验的更高要求。

实践一号是1971年3月3日发射成功的。卫星运行在近地点高度为266km、远地点高度为1826km、倾角为69.60°、周期为106min的轨道上。它采用1m直径的近球形72面全蒙皮骨架式结构,上下半球壳的梯形平面上各装有14块硅太阳电池板。卫星采用自旋稳定姿态控制方式。卫星的中间为一圆形密封舱,内装短波遥测、超短波信标机(202MHz)和银锌化学电池。在主舱周围与外壳之间安放4个小仪器舱,它们是:(1)附舱1,内有两组镉镍蓄电池和小遥测装置;(2)附舱2,内有限制器、移相调配网络;(3)附舱3,内有5cm应答机;(4)附舱4,内有10cm信标机。

星上科学载荷有两个:(1)G-M计数器。它用于探测宇宙线,测量能量大于16.4MeV的质子和能量大于0.88MeV的电子总通量;(2)铍窗积分电离室。它用于探测太阳X射线,测量波长为(l~8)×10-2μm。

实践一号卫星的空间技术试验任务是对卫星的基本技术和系统进行长期空间考验,主要包括硅太阳电池和镉镍蓄电池组成的电池系统、无源主动式温控系统、16路遥测系统等。

实践一号卫星在轨运行期间,我国利用其上的G-M计数器测到中国上空1300~1826km、260~700km范围内,总计数率小于1粒子/s。

实践一号卫星在太空正常运行了8年多,远远超过原定1年的设计寿命。这在20世纪60年代国外研制的卫星中也是不多见的。实践一号卫星为我国研制长寿命卫星提供了宝贵的经验。1978年,实践一号卫星的长期电源系统、长期温控系统、长期遥测系统获得全国科学大会成果奖。

实践二号卫星群包括实践二号、实践二号甲和实践二号乙共3颗卫星。1981年9月20日,我国首次用一枚运载火箭成功发射3颗卫星,标志着我国空间技术取得了新的突破。

实践二号卫星质量为250kg,运行在近地点高度为240km、远地点高度为1600km、倾角为50.5的轨道。卫星主体为一外接圆直径为1230mm的八面棱柱体。顶部4个面安装4块活动太阳翼,其余4个面安装百叶窗,对日自旋稳定。卫星上有4个直径为16mm的爆炸螺栓与运载火箭连接。

实践二号的主要任务有两项:

(1)探测空间物理环境参数,具体情况见。

(2)卫星新技术试验主要包括:采用太阳电池帆板为卫星仪器设备供电;采用自旋稳定及对日定向的姿态控制方式;采用磁芯存贮器和延时遥测技术;采用跟踪和遥测合用射频通道的超短波统一系统;采用整星无源主动式温度控制技术,首次使用多扇百叶窗调节整星温度。

实践二号甲卫星是一颗电离层探测信标卫星。卫星质量为480kg,采用银锌电池供电。信标机高频为162MHz和40.5MHz,其中162MHz作为跟踪信标之用。其测量原理为:地面站分别接收上述两个信号穿过电离层的多普勒频移和信号的法拉第旋转,以此反演出电离层的积分电子浓度。

实践二号乙卫星为无源雷达定标试验卫星。它用直径为4m的气球作为引导用的光学信标,用直径为0.45m的金属球作为地面雷达标校用的金属球。两球之间用600m的丝绳连接。

直径4m的球内装有升华物和少量残余气体,入轨释放后气球膨胀,聚酯镀铝表面的4m直径球很亮,由此引导雷达,以便于搜寻发现直径0.45m的金属球。在轨运行的前16圈,7010雷达喀什站和紫金山天文台都测到了轨道上的5个目标,顺利完成了雷达标校工作。

1994年2月8日,长征三号甲运载火箭实践四号卫星送入预定的地球同步转移轨道,其轨道参数为:近地点高度200km、远地点高度36000km、倾角28.50。

实践四号卫星是一颗用于探测空间辐射环境及其效应的卫星。

针对地球同步转移轨道的特殊环境,我们专门设计了空间辐射环境及其辐射效应试验项目。环境探测仪器选用3种:质子(含重离子)探测器、电子探测器和等离子体探测器。

与环境效应试验项目相对应有3台仪器,即一台卫星表面电位监视器,两台单粒子效应试验仪器(分别是单粒子静态监测仪和单粒子动态监测仪)。

在项目安排上有3个特点:(1)探测能谱范围宽,几乎覆盖了对航天器有影响的全部能量范围;(2)探测成分全,包括电子、质子和重离子;(3)同时测量环境参数和效应,可为卫星异常提供完整的对比数据,容易找出因果关系。

单粒子静态监测仪和单粒子动态监测仪的工作原理为:利用计算机正常工作程序自检,检查其工作状态,记录错误位置与发生时刻,并逐行纠错,维持整机工作正常;遇到整机失误时,系统具有再启动能力并可记录下整机失误时刻。全部数据通过遥测传输到地面进行分析。在该机软件设计上采用了软件看门狗、超时挂起、换址加载、冗余表决、设置陷阱等多项容错技术。

实践四号卫星取得的主要结果如下:

1.SEU的计数与分布从发射之日起逐日增加,其随磁壳参数L的分布在1.25~1.75和5.75~6.75处SEU出现次数最多;

2.辐射带形貌结果与国外模型比较大致相似;

3.实验了克服CMOS组件闩锁的技术措施并取得成功;

4.第一次测到了热等离子体与卫星表面电位之间的关系。

实践五号卫星于1999年5月10日发射进入高度为870km的近圆形太阳同步轨道。它有3项任务:在轨正常运行3个月,完成两层流微重力科学试验;新技术演示验证试验;单粒子探测与对策研究。实践五号按预定程序完成了卫星的发射、在轨测试、在轨移交以及对其实施的长期管理,圆满地完成了全部任务,并且进行了寿命试验。

实践五号卫星质量为300kg,当太阳电池帆板收拢时,其结构外形为边长近似1.2m的立方体,折叠式太阳电池帆板展开后,翼展约为5m。卫星由以下分系统组成:结构与机构、热控、姿态控制、星务管理、电源及总体电路、测控及天线、有效载荷等。

1.以推出卫星公用平台为目标研制实践五号;

2.应用星务管理概念进行星上电子设备功能集成设计;

3.进行多模式姿控系统试验;

4.采用软冗余和信息多路径的设计思路;

5.首次应用国际通行的S波段统一体制测控系统;

6.首次应用工业级和商用器件在轨试验成功;

7.首次使用全铝蜂窝板式结构作主结构;

8.采用适应范围宽的热控设计;

9.采用全调节母线高品质电源;

10.采用涉及当今科学技术热点的有效载荷;

11.首次实现遥操作;

12.采用简捷轻便的地面测试系统。

如下:

1.总剂量为l~2rad(Si)/d;

2.SRAM:(0.5~4)×10-6SEU/b/d;

3.DRAM:(0.2~1)×10-6 SEU/b/d;

4.获得了12000多幅流体科学试验图像并累计测量了30多小时的温度场数据;

5.获得大量图像和数据。图像清晰,数据完整。

2010年10月6日8时49分,我国在太原卫星发射中心用“长征四号乙”运载火箭,成功将“实践六号”04组两颗空间环境探测卫星送入太空。  西安卫星测控中心传来的数据表明,火箭飞行约11分钟后,“实践六号”04组A星与火箭分离;继续飞行约1分钟后,B星与火箭分离。两颗卫星均成功进入预定轨道。

“实践六号”04组A星和B星分别由中国航天科技集团公司所属的上海航天技术研究院和航天东方红卫星公司研制生产,卫星上的空间环境探测系统由中国电子科技集团公司为主研制。两颗卫星设计寿命均为2年以上,主要进行空间环境探测、空间辐射环境及其效应探测、空间物理环境参数探测,以及其他相关的空间科学试验。

发射卫星的“长征四号乙”运载火箭,由中国航天科技集团公司所属上海航天技术研究院研制生产。这次发射是长征系列运载火箭的第132次飞行。

2009年11月12日上午10时45分,中国在酒泉卫星发射中心用长征二号丙运载火箭成功的将“实践十一号01星”送入太空。该卫星主要用于空间科学技术实验。 2011年07月06日发射03星,2011年07月29日发射02星,均成功。2011年8月18日发射04星,但未能入轨。

2013年7月15日17时27分,我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丙运载火箭,成功将实践十一号05星发射升空,卫星顺利进入预定轨道。实践十一号05星主要用于开展空间科学与技术试验。

2014年3月31日10时58分,中国在酒泉卫星发射中心用“长征二号丙”运载火箭,成功将“实践十一号06星”送入太空。

“实践十一号06星”由中国航天科技集团公司所属东方红卫星有限公司负责研制,主要用于开展空间科学与技术试验。

用于发射的“长征二号丙”运载火箭由中国航天科技集团公司所属中国运载火箭技术研究院研制。这是长征系列运载火箭的第189次飞行。

2014年9月28日13时13分,我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丙运载火箭,成功将实践十一号07星发射升空,卫星顺利进入预定轨道。

实践十一号07星由中国航天科技集团公司所属东方红卫星公司负责生产,主要用于开展空间科学与技术试验。用于发射的长征二号丙运载火箭由中国航天科技集团公司所属中国运载火箭技术研究院研制。这是长征系列运载火箭的第194次飞行。

北京时间2010年6月15日9时39分,中国在酒泉卫星发射中心用“长征二号丁”运载火箭,将“实践十二号卫星”成功送入太空。

1.探测仪器的演化

20世纪70年代探测器主要采用电子管理型的G-M管和X射线电离室;80年代主要采用半导体探测器和红外、紫外测量仪器;90年代则采用厚灵敏层的多谱段、多成分探测器,静电分析仪的部分仪器达到智能化水平。

2.卫星平台技术进步

21世纪将是世界航天蓬勃发展的新世纪。根据《中国的航天》政府白皮书阐述的发展目标,我国将继续发展实践卫星系列,不断提高空间科学探测和实验以及空间技术试验的水平。

在空间科学探测方面,我们还将提高探测仪器的空间分辨率和时间分辨率,将空间粒子的成分与能谱探测提高到探测仪器的成像水平,进一步有效地推动国际合作计划。

在空间技术方面,我们将进一步提高为新技术试验的服务能力,提高有效载荷比,提高星上电子系统的集成度,进一步提高天地一体化水平,提高遥科学和遥操作的水平。

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