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重大科研活动

载人航天

载人航天工程

 
 载人航天工程

  

   我国载人航天工程的四项基本任务之一是面向国家战略需求,跟踪国内外先进科学技术领域,瞄准未来航天技术发展和空间资源开发的方向,开展空间对地观测和空间探测,进行空间科学与技术实验。中国科学院是我国载人航天工程应用系统的牵头单位,经过广大科技人员近十年的潜心设计、研究和试验,出色地完成了船载试验仪器和相关配套地面系统的研制试验,相继取得了神舟一、二、三、四、五号飞船应用试验任务的圆满成功。空间中心是我国载人航天工程应用系统总体的依托单位(截止到2003年11月光电研究院成立前),除承担总体性的各项工作外,还承担以下几方面的工作:


1 有效载荷公用设备分系统

   有效载荷公用设备分系统是载人航天工程最重要的分系统之一。它的主要任务是根据应用任务的总体要求,研制有效载荷公用设备包括电源设备,数管设备和通信设备,将各艘飞船上分散的应用系统有效载荷有机地连接在一起,构成相对独立的有效载荷系统,与飞船有关部分接口。公用设备力求标准化并具有通用性,以适应各艘飞船不同载荷的不同要求,减少各艘飞船技术状态的变化。为四艘飞船有效载荷提供电源配电和部分二次电源;进行数据管理,完成数据采集,处理,存储、传输,指令分发,以及运行管理;并为有效载荷提供专用的高速数传通道,向有效载荷应用中心传送科学数据。

   公用设备分系统在神舟号系列飞船上研制成功并运用了多项具有国际先进水平的系统技术。公用设备分系统研制成功了以1553B总线为基础的分布式数据管理系统,首次在国内航天器上采用了先进的CCSDS高级在轨系统数据标准,研制成功能将来自不同载荷不同速率的数据按照CCSDS标准异步复接为串行位流的关键设备——高速多路复接器,研制成功采用QPSK调制方式的S波段发射机,研制成功了具有RS纠错编码、存储失效检测和旁路功能的高可靠的固态大容量存储器,系统采取了“自顶向下”的设计与“自底向上”的实现,使这一复杂系统的综合与集成得以顺利完成。系统的总体方案设计和实现技术与代表当今世界上同类技术最高水平的国际空间站哥伦布舱非常类似,如采用分布式结构、双冗余的1553B总线和符合CCSDS标准的数据格式。但在方案提出和工程实现上先于哥伦布舱,并在神舟一号至神舟五号飞船上在轨运行正常,性能稳定可靠,圆满完成飞行任务。

2 有效载荷应用中心

   在我国载人航天工程的支持下,在中科院空间中心建立的有效载荷应用中心,对飞船有效载荷的在轨运行控制与管理、有效载荷应用资料产品的预处理和应用分发提供了有效的支撑作用。

   建设的科学数据接收接收站设计方案先进,性能指标高,具有多极化,极化分集,优值高,多制式,多数据流,码率可变,半球跟踪,多任务和可扩充等特点。通过执行神舟一、二、三、四号飞船的飞行任务,证明系统具有完善的功能,它与美国哥达德飞行中心(GSFC)下属的科学任务中心(SMC)、欧空局ESOC下属的有效载荷操作控制中心(POAC)、法国空间局(CNES)下属的空间应用中心(CADMOS)等同类机构比较,设备配置和软件水平均已达到了国际先进水平。


3 多模态微波遥感器

   利用空间微波遥感进行对地观测具有全天候、全天时的特点,正在受到各先

进国家越来越广泛的重视。空间中心负责了神舟四号飞船上的主载荷—多模态微波遥感器的研制工作,这是我国第一次进入太空的微波遥感器。因此,其工作受到了国内外的广泛关注。多模态微波遥感器体系是我国独创。它集频率覆盖6.6GHz到37GHz的五通道微波辐射计、测高精度为10厘米的微波高度计和正交笔型波束扫描风场测量微波散射计三个模态为一体,采用统一监控、统一数管等技术,形成具有特色的一体化体制,对地观测时形成多种复合观测模式,可以获得更多的观测信息。三种模态组合在一起共同对地观测是国际上首次采用的技术,具有创新特色,和国际上具有相同功能的设备相比,体积小、重量轻、功耗低的明显优势。经过科技人员十多年的努力,攻克了一系列关键技术,填补了国内空白。在轨运行中,三个模态在统一数管监控下形成各自独立的信息通道,分别获取各自的数据。神舟四号多模态微波遥感器主要实验目的是:验证技术体制、验证各模态功能、验证数据定性趋向分析、作应用实验。整个在轨运行期间,多模态微波遥感器获得了大量的海面与陆地亮温数据、海面高度数据、部分风场数据以及重点地区后向散射数据,数据情况很好。其中一些数据已经被海洋局和中科院相关研究所进行了应用处理。多模态微波遥感器的发射成功为我国气象卫星、海洋卫星及其它微波遥感卫星的研制及业务运行打下了坚实的基础并提供了宝贵的经验,使我国在国际航天微波遥感领域中占有一席之地。


4 空间环境监测和预报

   空间环境及其变化情况关系到航天器和航天员的安全,是开展航天活动的各个国家非常关注的问题。空间中心在空间环境预报及监测的研究方法和手段方面已有比较成熟的经验,为航天器的设计研制提供了依据,为神舟飞船的历次成功发射和运行提供了有效的空间环境安全保障服务。

4.1 空间环境监测

   空间中心研制的高能质子重离子、高能电子、单粒子、低能粒子、电位、大气成分、大气密度和固体径迹等空间环境探测器,在神舟号各艘飞船上开展了综合性的空间环境探测试验,取得大量的探测资料。我国首次获得了高层大气成分质谱图和大气中主要成分的日变化特性,展示出该轨道空间大气环境实质上为原子氧气层;首次获得了飞船轨道范围内十分相近的准全球性大气密度探测资料,得到了十分珍贵的23周太阳活动峰年期间宁静时区、活动时区和地磁扰动时该轨道高度上的大气密度变化资料,发现非日照区南纬20度至北纬20度区域内存在着大气密度异变区;得到了该轨道高度上带电粒子的分布情况,带电粒子以高能电子为主,质子和重离子较少,且主要分布在南大西洋上空;飞船的表面电位不高,并且在光照区和阴影区呈现不同的电位状态。空间环境探测试验获得圆满成功。

4.2 空间环境预报

   空间环境预报中心通过收集并综合分析国内外天基和地基观测资料,发布远期、中期、近期空间环境预报,通报飞船发射、运行期间的空间环境状况,对可能出现的空间环境异常提出警报,提供有关太阳活动、空间辐射、地磁活动、轨道大气密度、微流星等参数和分布模式,估算这些空间环境对飞船可能产生的影响并提出应对建议。空间环境预报中心在神舟飞船的历次发射和运行中,成功完成了空间环境的安全保障服务。在 “神舟一号”发射前,对狮子座流星暴做出了准确的预报,并对上级部门提出了修改发射日期的建议。上级领导在认真考虑了空间环境因素后,将发射日期推后了两天。因为空间环境影响而推迟飞船发射日期,这在我国航天史上还是首次。在“神舟五号”发射前,作出了准确的预报,使上级主管部门坚定了发射的决心,排除了外国某些干扰,受到了各级领导的嘉奖。


5 空间科学实验装置

   空间的微重力、高辐射、高真空、高洁净资源的开发和利用是各国开展空间活动时关注的重点。开展空间科学研究,建立空间实验方法、探索机理、认识规律、积累经验可以指导地面的科学实验,并为空间材料加工、空间生物制药等空间应用科学奠定基础。空间中心在空间科学研究装置承担了以下方面的工作:

5.1 空间自由流电泳仪

   利用空间特有的环境条件,探索空间环境对生物体的影响,进行空间生物学效应的实验和研究,以及开展生物材料加工方法、技术和应用的实验和研究是生命科学研究的前沿领域。在神舟四号飞船上装载的自由流电泳仪由空间中心研制,实验设备在轨运行正常,性能良好,达到预期设计要求。与在地面试验相比较,在空间进行蛋白质电泳分离可获得更好的效果。科学实验的成功,填补了我国在此领域的空白,标志着我国已经初步掌握了这一领域的实验技术,得到的大量工程技术参数和科学实验资料必将为后续的空间生命科学研究奠定基础。

5.2 空间晶体生长炉控制系统

   空间晶体生长炉由中科院上海硅酸盐所、空间中心和航天科技集团510所联合研制,在一次飞行中可进行6种材料的空间制备研究。空间中心研制的控制系统是载人航天工程系统中进行空间材料制备研制的主要硬件设备之一,采用了PID全数字闭环控制,具有较高的控温精度,在神舟1-3号飞船上进行了多工位空间晶体生长炉在轨运行实验,进行了空间材料熔融结晶过程实时观察、半导体光电子材料的空间晶体生长、氧化物晶体材料、金属合金和金属复合材料等12种材料的空间实验,得到了微重力下熔液表面张力对流的实时图像和均匀致密的材料试验样品,顺利完成了各次的晶体生长任务,实际性能优于设计指标,获得了有研究价值的实验结果,为我国空间材料科学领域的研究做出了重要贡献。

5.3 空间物理主动实验研究

   利用电子枪开展气球主动实验研究:利用电子枪在气球上开展空间物理主动实验研究,其内容包括有关臭氧和红闪等实验科学目标的调研准备工作以及对本实验的人工电子扰动的注入对臭氧层和大气光学中的红闪的影响的初步预计。研制了脉冲高压放电电子枪,并经深入研究,制定了可行的实验方案;空间等离子体主动实验的地面实验研究:在国外利用化学释放方法开展空间等离子体主动实验的基础上,本课题对为开展空间物理主动实验在地面实验室进行的准备工作及其和空间实验研究课题有关的理论工作进行了深入的研究,并取得了初步的成果。

5.4 微重力流体物理研究

   微重力流体物理研究是空间材料科学与空间生物工程研究的基础,不仅在基础理论研究方面具有重要意义,在应用科学研究方面也具有重要地位和发展前景。由中科院力学所和空间中心研制的微重力空间通用流体实验装置突破了关键技术,在我国神舟四号飞船上进行的实验在轨运行正常,取得了全部工程参数、液滴迁移图像和温度场干涉图像,实验获得圆满成功。这次实验的成功为今后的空间流体物理实验提供了宝贵的知识积累和经验,标志着我国的微重力流体物理科学研究和实验技术达到了国际先进水平。