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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(xiàng)基本任務(wù)之一是面向國家戰(zhàn)略需求,跟蹤國內(nèi)外先進(jìn)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域,瞄準(zhǔn)未來航天技術(shù)發(fā)展和空間資源開發(fā)的方向,開展空間對地觀測和空間探測,進(jìn)行空間科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)。中國科學(xué)院是我國載人航天工程應(yīng)用系統(tǒng)的牽頭單位,經(jīng)過廣大科技人員近十年的潛心設(shè)計(jì)、研究和試驗(yàn),出色地完成了船載試驗(yàn)儀器和相關(guān)配套地面系統(tǒng)的研制試驗(yàn),相繼取得了神舟一、二、三、四、五號飛船應(yīng)用試驗(yàn)任務(wù)的圓滿成功??臻g中心是我國載人航天工程應(yīng)用系統(tǒng)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(dān)總體性的各項(xiàng)工作外,還承擔(dān)以下幾方面的工作:


1 有效載荷公用設(shè)備分系統(tǒng)

 有效載荷公用設(shè)備分系統(tǒng)是載人航天工程最重要的分系統(tǒng)之一。它的主要任務(wù)是根據(jù)應(yīng)用任務(wù)的總體要求,研制有效載荷公用設(shè)備包括電源設(shè)備,數(shù)管設(shè)備和通信設(shè)備,將各艘飛船上分散的應(yīng)用系統(tǒng)有效載荷有機(jī)地連接在一起,構(gòu)成相對獨(dú)立的有效載荷系統(tǒng),與飛船有關(guān)部分接口。公用設(shè)備力求標(biāo)準(zhǔn)化并具有通用性,以適應(yīng)各艘飛船不同載荷的不同要求,減少各艘飛船技術(shù)狀態(tài)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(jìn)行數(shù)據(jù)管理,完成數(shù)據(jù)采集,處理,存儲、傳輸,指令分發(fā),以及運(yùn)行管理;并為有效載荷提供專用的高速數(shù)傳通道,向有效載荷應(yīng)用中心傳送科學(xué)數(shù)據(jù)。

  公用設(shè)備分系統(tǒng)在神舟號系列飛船上研制成功并運(yùn)用了多項(xiàng)具有國際先進(jìn)水平的系統(tǒng)技術(shù)。公用設(shè)備分系統(tǒng)研制成功了以1553B總線為基礎(chǔ)的分布式數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),首次在國內(nèi)航天器上采用了先進(jìn)的CCSDS高級在軌系統(tǒng)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),研制成功能將來自不同載荷不同速率的數(shù)據(jù)按照CCSDS標(biāo)準(zhǔn)異步復(fù)接為串行位流的關(guān)鍵設(shè)備——高速多路復(fù)接器,研制成功采用QPSK調(diào)制方式的S波段發(fā)射機(jī),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(tài)大容量存儲器,系統(tǒng)采取了“自頂向下”的設(shè)計(jì)與“自底向上”的實(shí)現(xiàn),使這一復(fù)雜系統(tǒng)的綜合與集成得以順利完成。系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)技術(shù)與代表當(dāng)今世界上同類技術(shù)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(jié)構(gòu)、雙冗余的1553B總線和符合CCSDS標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式。但在方案提出和工程實(shí)現(xiàn)上先于哥倫布艙,并在神舟一號至神舟五號飛船上在軌運(yùn)行正常,性能穩(wěn)定可靠,圓滿完成飛行任務(wù)。

2 有效載荷應(yīng)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(yīng)用中心,對飛船有效載荷的在軌運(yùn)行控制與管理、有效載荷應(yīng)用資料產(chǎn)品的預(yù)處理和應(yīng)用分發(fā)提供了有效的支撐作用。

  建設(shè)的科學(xué)數(shù)據(jù)接收接收站設(shè)計(jì)方案先進(jìn),性能指標(biāo)高,具有多極化,極化分集,優(yōu)值高,多制式,多數(shù)據(jù)流,碼率可變,半球跟蹤,多任務(wù)和可擴(kuò)充等特點(diǎn)。通過執(zhí)行神舟一、二、三、四號飛船的飛行任務(wù),證明系統(tǒng)具有完善的功能,它與美國哥達(dá)德飛行中心(GSFC)下屬的科學(xué)任務(wù)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(yīng)用中心(CADMOS)等同類機(jī)構(gòu)比較,設(shè)備配置和軟件水平均已達(dá)到了國際先進(jìn)水平。


3 多模態(tài)微波遙感器

  利用空間微波遙感進(jìn)行對地觀測具有全天候、全天時的特點(diǎn),正在受到各先

進(jìn)國家越來越廣泛的重視??臻g中心負(fù)責(zé)了神舟四號飛船上的主載荷—多模態(tài)微波遙感器的研制工作,這是我國第一次進(jìn)入太空的微波遙感器。因此,其工作受到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。多模態(tài)微波遙感器體系是我國獨(dú)創(chuàng)。它集頻率覆蓋6.6GHz到37GHz的五通道微波輻射計(jì)、測高精度為10厘米的微波高度計(jì)和正交筆型波束掃描風(fēng)場測量微波散射計(jì)三個模態(tài)為一體,采用統(tǒng)一監(jiān)控、統(tǒng)一數(shù)管等技術(shù),形成具有特色的一體化體制,對地觀測時形成多種復(fù)合觀測模式,可以獲得更多的觀測信息。三種模態(tài)組合在一起共同對地觀測是國際上首次采用的技術(shù),具有創(chuàng)新特色,和國際上具有相同功能的設(shè)備相比,體積小、重量輕、功耗低的明顯優(yōu)勢。經(jīng)過科技人員十多年的努力,攻克了一系列關(guān)鍵技術(shù),填補(bǔ)了國內(nèi)空白。在軌運(yùn)行中,三個模態(tài)在統(tǒng)一數(shù)管監(jiān)控下形成各自獨(dú)立的信息通道,分別獲取各自的數(shù)據(jù)。神舟四號多模態(tài)微波遙感器主要實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖牵?IMG class=framed style="FONT-SIZE: 10.5pt" src="./201511/W020151126589197362849.jpg" align=left border=0 _fcksavedurl="/webpic/W0200908/W020090820/W020090820610415050672.jpg" OLDSRC="W020151126589197362849.jpg" />驗(yàn)證技術(shù)體制、驗(yàn)證各模態(tài)功能、驗(yàn)證數(shù)據(jù)定性趨向分析、作應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。整個在軌運(yùn)行期間,多模態(tài)微波遙感器獲得了大量的海面與陸地亮溫數(shù)據(jù)、海面高度數(shù)據(jù)、部分風(fēng)場數(shù)據(jù)以及重點(diǎn)地區(qū)后向散射數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)情況很好。其中一些數(shù)據(jù)已經(jīng)被海洋局和中科院相關(guān)研究所進(jìn)行了應(yīng)用處理。多模態(tài)微波遙感器的發(fā)射成功為我國氣象衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星及其它微波遙感衛(wèi)星的研制及業(yè)務(wù)運(yùn)行打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)并提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn),使我國在國際航天微波遙感領(lǐng)域中占有一席之地。


4 空間環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報

  空間環(huán)境及其變化情況關(guān)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(guān)注的問題??臻g中心在空間環(huán)境預(yù)報及監(jiān)測的研究方法和手段方面已有比較成熟的經(jīng)驗(yàn),為航天器的設(shè)計(jì)研制提供了依據(jù),為神舟飛船的歷次成功發(fā)射和運(yùn)行提供了有效的空間環(huán)境安全保障服務(wù)。

4.1 空間環(huán)境監(jiān)測

  空間中心研制的高能質(zhì)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(huán)境探測器,在神舟號各艘飛船上開展了綜合性的空間環(huán)境探測試驗(yàn),取得大量的探測資料。我國首次獲得了高層大氣成分質(zhì)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(huán)境實(shí)質(zhì)上為原子氧氣層;首次獲得了飛船軌道范圍內(nèi)十分相近的準(zhǔn)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(qū)、活動時區(qū)和地磁擾動時該軌道高度上的大氣密度變化資料,發(fā)現(xiàn)非日照區(qū)南緯20度至北緯20度區(qū)域內(nèi)存在著大氣密度異變區(qū);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(zhì)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(qū)和陰影區(qū)呈現(xiàn)不同的電位狀態(tài)??臻g環(huán)境探測試驗(yàn)獲得圓滿成功。

4.2 空間環(huán)境預(yù)報

  空間環(huán)境預(yù)報中心通過收集并綜合分析國內(nèi)外天基和地基觀測資料,發(fā)布遠(yuǎn)期、中期、近期空間環(huán)境預(yù)報,通報飛船發(fā)射、運(yùn)行期間的空間環(huán)境狀況,對可能出現(xiàn)的空間環(huán)境異常提出警報,提供有關(guān)太陽活動、空間輻射、地磁活動、軌道大氣密度、微流星等參數(shù)和分布模式,估算這些空間環(huán)境對飛船可能產(chǎn)生的影響并提出應(yīng)對建議??臻g環(huán)境預(yù)報中心在神舟飛船的歷次發(fā)射和運(yùn)行中,成功完成了空間環(huán)境的安全保障服務(wù)。在 “神舟一號”發(fā)射前,對獅子座流星暴做出了準(zhǔn)確的預(yù)報,并對上級部門提出了修改發(fā)射日期的建議。上級領(lǐng)導(dǎo)在認(rèn)真考慮了空間環(huán)境因素后,將發(fā)射日期推后了兩天。因?yàn)榭臻g環(huán)境影響而推遲飛船發(fā)射日期,這在我國航天史上還是首次。在“神舟五號”發(fā)射前,作出了準(zhǔn)確的預(yù)報,使上級主管部門堅(jiān)定了發(fā)射的決心,排除了外國某些干擾,受到了各級領(lǐng)導(dǎo)的嘉獎。


5 空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置

  空間的微重力、高輻射、高真空、高潔凈資源的開發(fā)和利用是各國開展空間活動時關(guān)注的重點(diǎn)。開展空間科學(xué)研究,建立空間實(shí)驗(yàn)方法、探索機(jī)理、認(rèn)識規(guī)律、積累經(jīng)驗(yàn)可以指導(dǎo)地面的科學(xué)實(shí)驗(yàn),并為空間材料加工、空間生物制藥等空間應(yīng)用科學(xué)奠定基礎(chǔ)??臻g中心在空間科學(xué)研究裝置承擔(dān)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(huán)境條件,探索空間環(huán)境對生物體的影響,進(jìn)行空間生物學(xué)效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)和研究,以及開展生物材料加工方法、技術(shù)和應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)和研究是生命科學(xué)研究的前沿領(lǐng)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(shí)驗(yàn)設(shè)備在軌運(yùn)行正常,性能良好,達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求。與在地面試驗(yàn)相比較,在空間進(jìn)行蛋白質(zhì)電泳分離可獲得更好的效果。科學(xué)實(shí)驗(yàn)的成功,填補(bǔ)了我國在此領(lǐng)域的空白,標(biāo)志著我國已經(jīng)初步掌握了這一領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)技術(shù),得到的大量工程技術(shù)參數(shù)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)資料必將為后續(xù)的空間生命科學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。

5.2 空間晶體生長爐控制系統(tǒng)

 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(tuán)510所聯(lián)合研制,在一次飛行中可進(jìn)行6種材料的空間制備研究??臻g中心研制的控制系統(tǒng)是載人航天工程系統(tǒng)中進(jìn)行空間材料制備研制的主要硬件設(shè)備之一,采用了PID全數(shù)字閉環(huán)控制,具有較高的控溫精度,在神舟1-3號飛船上進(jìn)行了多工位空間晶體生長爐在軌運(yùn)行實(shí)驗(yàn),進(jìn)行了空間材料熔融結(jié)晶過程實(shí)時觀察、半導(dǎo)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(fù)合材料等12種材料的空間實(shí)驗(yàn),得到了微重力下熔液表面張力對流的實(shí)時圖像和均勻致密的材料試驗(yàn)樣品,順利完成了各次的晶體生長任務(wù),實(shí)際性能優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo),獲得了有研究價值的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,為我國空間材料科學(xué)領(lǐng)域的研究做出了重要貢獻(xiàn)。

5.3 空間物理主動實(shí)驗(yàn)研究

  利用電子槍開展氣球主動實(shí)驗(yàn)研究:利用電子槍在氣球上開展空間物理主動實(shí)驗(yàn)研究,其內(nèi)容包括有關(guān)臭氧和紅閃等實(shí)驗(yàn)科學(xué)目標(biāo)的調(diào)研準(zhǔn)備工作以及對本實(shí)驗(yàn)的人工電子擾動的注入對臭氧層和大氣光學(xué)中的紅閃的影響的初步預(yù)計(jì)。研制了脈沖高壓放電電子槍,并經(jīng)深入研究,制定了可行的實(shí)驗(yàn)方案;空間等離子體主動實(shí)驗(yàn)的地面實(shí)驗(yàn)研究:在國外利用化學(xué)釋放方法開展空間等離子體主動實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,本課題對為開展空間物理主動實(shí)驗(yàn)在地面實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的準(zhǔn)備工作及其和空間實(shí)驗(yàn)研究課題有關(guān)的理論工作進(jìn)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(xué)與空間生物工程研究的基礎(chǔ),不僅在基礎(chǔ)理論研究方面具有重要意義,在應(yīng)用科學(xué)研究方面也具有重要地位和發(fā)展前景。由中科院力學(xué)所和空間中心研制的微重力空間通用流體實(shí)驗(yàn)裝置突破了關(guān)鍵技術(shù),在我國神舟四號飛船上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)在軌運(yùn)行正常,取得了全部工程參數(shù)、液滴遷移圖像和溫度場干涉圖像,實(shí)驗(yàn)獲得圓滿成功。這次實(shí)驗(yàn)的成功為今后的空間流體物理實(shí)驗(yàn)提供了寶貴的知識積累和經(jīng)驗(yàn),標(biāo)志著我國的微重力流體物理科學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)技術(shù)達(dá)到了國際先進(jìn)水平。