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【文汇报】瘦身、防寒、保暖、散热,848公斤的“小个子”让上海科学家们操了不少心——多套“外衣”助北斗新星“舒适如春”
发布时间:2015-04-02

  ■本报记者 许琦敏

  ■在实现同样功能的前提下,卫星重量越轻,意味着研制和发射成本越低,这一直是卫星研制中一个值得自豪的指标。为了帮卫星“瘦身”,科研人员设计了全新的星载计算机,使新星重量减轻了几百公斤

  ■朝着太阳能热到超过100℃,背着太阳又会冷到-100℃。为了让北斗卫星内部始终保持-15℃到25℃的温度,中科院上海硅酸盐研究所为它“缝制”了多套“外衣”

  昨天,上海中科院系统的研究所收到了来自中科院院长白春礼的贺信,感谢他们为3月30日成功发射上天的首颗北斗全球组网卫星所付出的努力。

  这颗新星的上天,标志着我国北斗系统全球组网的第一步。在这颗卫星上有多少“上海贡献”?昨天,记者从沪上几家主要研究所了解到,他们不仅为北斗新星“缝制”了特殊的隔热“外衣”,研制了用于精确定位的激光反射器,更在框架面板结构、星间链路等方面作出了重要贡献。

  北斗星“体重”首次低于1吨

  “这是我国第一颗被送上3.6万公里高轨的小卫星,首次启用了我国自主研发的高轨导航小卫星专用平台。”上海微小卫星工程中心主任、卫星系统总指挥相里斌刚从发射基地回上海,就接受了记者采访。他说,这颗星中的所有核心关键器部件,全部实现了国产化,做到了自主可控。

  根据国际卫星分类,“体重”小于1000公斤的卫星被称为小卫星。而这颗北斗新星是北斗卫星家族中首位“体重”低于1000公斤的成员,只有848公斤。在实现同样功能的前提下,卫星重量越轻,意味着研制和发射成本越低,这一直是卫星研制中一个值得自豪的指标。

  然而,把小卫星送到地球同步轨道,同时意味着这个“小个子”必须承受住更恶劣的外太空环境,比如更猛烈的宇宙射线、静电放电等等。为此,工程中心采用框架面板结构和功能链理念设计了全新平台,不仅帮它抵御住了发射时的强烈冲击,还使它能在外太空的恶劣环境下坚持工作10年以上。

  为了帮卫星“瘦身”,科研人员为这颗北斗新星设计了全新的星载计算机,将传统卫星中的各种计算机集成为综合电子功能链,使新星的重量比它的“前辈”减轻了几百公斤。

  相里斌说,从今年开始到2020年左右,北斗将逐步实现全球组网。与美国GPS系统“地面基站+卫星”的组网方式不同,北斗将完全采用“天基卫星网”,即每颗北斗卫星都可以直接通过“天上的对话”实现全球导航定位。“为了确保导航系统的可靠、长寿命运行,我们采用了比如基于单个星敏感器(一种小相机,通过对准星星拍照帮卫星定位)的姿态确定技术,尽量使单机简单、可靠,同时,我们还带上去了2个备份星敏。”

  柔性“外衣”不费能源巧恒温

  朝着太阳能热到超过100℃,背着太阳又会冷到-100℃,外太空的环境实在恶劣。可北斗卫星内部,却始终保持着-15℃到25℃的温度,几乎像在地球上一样舒适。

  既要维持适宜温度,让上天的电子器件正常工作,又不能与它们争夺能源,为了达到这一目标,中科院上海硅酸盐研究所为北斗新星贡献了多套“外衣”,帮助它和电子器件“防寒、保暖、散热”。

  最外层的“外衣”,采用了新型柔性薄膜二次表面镜。上硅所特种无机涂层重点实验室高级工程师齐振一介绍,任何在轨飞行的航天器都处在超高真空环境中,气体的对流热传导已经微小到可以忽略不计,航天器几乎完全通过热辐射方式向深冷宇宙空间散热,北斗新星也不例外。柔性薄膜二次表面镜是一种很神奇的复合表面:有机薄膜底面上真空镀制的高反射金属膜层,能够反射掉照射在航天器表面的大部分太阳辐射能量,而航天器内部的多余热量能通过具有较高发射率的有机薄膜层排出,这就确保即使卫星外界温度变化很大,星内依旧可以“舒适如春”。由于采用了柔性的有机薄膜材料,这件“外衣”不仅轻薄而且还可以被“缝制”得非常贴身。

  只有“外衣”当然不够,该实验室研究员辛世刚说,在“外衣”下面,他们还设计了多层隔热材料,这样北斗的身体不冷也不热。北斗的肚子里有许多重要的仪器,在每个重要仪器箱的外面,都包裹了各种热控涂层,有的要散热、有的要保温、有的要隔热,目的只有一个--保证它们正常工作。

  有些“外衣”不仅要能耐高温,还得能抗氧化。比如卫星上姿态控制推力器的推力室,就涂了一层可以在1400℃—1600℃高温下,坚持几十小时不被氧化的特殊涂层。

  据该实验室研究员乐军介绍,推力器在工作时会产生1400℃以上的高温,因此推力室必须用难熔金属来制造,而这种难熔金属在500℃下,只需半小时就会被氧化,这将导致推力室被烧穿。而特殊涂层帮它解决了这个问题。

  3.6万公里激光来回距离可精确到厘米级

  在松江佘山,中科院上海天文台的激光观测基地,有一组科研人员日夜值守在山巅,为远在3.6万公里外的北斗卫星精确测距。

  在新发射的北斗卫星上,有上海天文台研制的激光反射器。这个不到5公斤的设备,与地面发出的激光测量配合,就变成了一把连接天地的“尺”,可以为北斗卫星精确定轨。

  项目负责人张忠萍研究员说,从2002年为“神舟四号”自主研制开始,激光反射器的适用轨道不断升高,从几百公里的低轨卫星,到1000多公里,直至3.6万公里的地球同步轨道,难度不断增加。

  “从地面测距站打出一束激光,要走过3.6万公里,击中只有750平方厘米的反射器,再返回到原地,测距误差要控制在厘米级。测量中,要考虑到卫星、地球自转等各种复杂因素。”他说,这个器件由90个直径33毫米的棱镜组成,而角度控制是关键,其中的排列方式则是不传之秘。

  张忠萍说,由于地面测距站工作容易受到天气影响,因此一个基站往往服务几十颗卫星,而一颗卫星也可以反射多个基站的激光信号。“即使未来北斗实现‘天上对话’,地面的精确测距及定轨依然是它们稳定运行的保障。”他说。

  《文汇报》 (2015-04-02 第1版 要闻)

  文章链接:

  http://wenhui.news365.com.cn/html/2015-04/02/content_6.htm

 
 
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