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秒变网红的微重力卫星“实践十号”有多厉害?

文章来源:科普中国微信公众号

4月6日,我国首颗微重力科学实验卫星——实践十号从酒泉卫星发射中心升空。它是空间科学先导专项首批科学实验卫星中唯一的返回式卫星,也是单次搭载空间实验项目最多的卫星,专门用于微重力科学和空间生命科学的空间实验研究。微重力是什么?高大上的实践十号上天的主要任务是什么?返回式卫星技术,难点在哪?看下文,你就明白了。

秒变网红的微重力卫星“实践十号”有多厉害? 实践十号卫星在轨飞行示意图

1. 微重力和短期空间科学实验更配哦!

在微重力环境中会出现一些与重力环境不同的物理规律,十分奇妙。例如,流体中浮力和静压力消失,基本没有引力引起的流体自然对流,扩散过程成为主要因素;液体的约束力来自于表面张力;毛细现象和润湿现象(液体在另一种物体表面的扩展现象)加剧。所以,在微重力环境中进行科学实验具有重要意义,能消除所有重力引起的不利因素,进行微重力物理、生物、生命等领域的研究,并进行有关生产制造和加工工艺试验,开展微重力应用研究。

目前,不少国家的科学家们都想利用多种方式营造微重力环境开展研究,比如抛物线飞机、探空火箭、宇宙飞船、空间站等实验平台,但它们有的只能提供几分钟甚至更短的微重力环境,有的则价格昂贵,带回样品比较有限,周期也较长。这对空间生命科学等一些短周期科学实验有较大限制,要想进行时间和价格都合适的微重力研究,返回式卫星是一个很好的选择。这种航天器运行周期短,适合开展短周期的空间科学实验。它以其系统简单可靠、成本低、应用便捷等优势,成为一种有效的空间服务手段。我国返回式卫星技术现已比较成熟,在此前入轨的23颗返回式卫星中,成功回收了22颗。

实践十号是我国开发出的一个专门用于开展微重力科学和空间生命科学研究的高效、短期、综合空间实验平台,使我们国家的空间微重力研究有了新的技术手段。这个在太空中临时搭建的实验室在太空中要飞行15天。其工作时间与其上电池的电量有关。这颗卫星没有装太阳电池翼,以免产生振动而影响科学实验。

该卫星与上一颗返回式卫星——发射于2006年的实践八号相比,实践十号卫星在热控、微重力、供电能力、回收保温等方面进行全面“升级”。卫星系统由11个分系统组成,具有“五多一大”任务特点,即:科学目标多,载荷状态新;科学实验需求差别大;科学需求变化多;产品选用领域多,产品研制状态复杂;沿用/复产产品多,产品保证要求难;固有单点环节多,风险管控要求高。

秒变网红的微重力卫星“实践十号”有多厉害? 实践十号卫星工程项目首席科学家、中国科学院院士胡文瑞介绍实践十号返回式科学实验卫星的总体情况

2. 实践十号,拥有一连串“第一”的头衔

实践十号是我国首颗为开展多项“微重力科学和空间生命科学”空间实验而专门量身定做的返回式卫星,其承载能力、微重力水平、实验载荷服务支持能力等较以往返回式卫星均有进一步提升,可谓我国新一代具有安全回收、适应中长期在轨试验、应用灵活和成本低廉的空间科学实验平台。

根据任务要求,实践十号卫星在轨道设计上也进行了调整,由以往返回式卫星的椭圆轨道变为圆轨道,这一由“橄榄”变“圆环”的改变,大大提高了微重力水平,为更好地开展微重力环境下的科学实验提供了有力的支撑。

它首次在返回式卫星上采用流体回路系统,大幅提升载荷功耗承受能力,以满足开展异常复杂科学实验的要求。比如,卫星将原来的程控、遥测、遥控分系统的功能整合,形成了数管分系统;为了适应19项科学实验项目的数据管理要求和微重力平台能力需要,首次构建了基于数管分系统和服务支持子系统的两级构架机制,以便于更好地适应多任务、多载荷的适配要求。

为精准测量卫星的在轨微重力水平,实践十号首次采用了高精度、多模式工程参数测量分系统。利用这一新增的分系统,能够用数据说话,准确地告诉科学家们平台的微重力是多少,便于更好地开展空间科学实验。

3. 实践十号,揭开被重力掩盖的秘密

实践十号的主要任务是开展涉及微重力流体物理、微重力燃烧、空间材料科学、空间辐射效应、重力生物效应、空间生物技术六大领域的19项空间科学实验,其中有11项收回,8项不收回;有十项微重力科学实验项目,9项空间生命科学实验项目。这是迄今为止单次空间微重力和生命科学实验项目及种类最多的卫星空间科学实验研究,每一项都具有很强的科学研究价值。

为什么要在微重力环境下进行科学研究?因为在微重力下出现的新现象、新规律,能发现被重力掩盖的现象和实质,为人们深入认识流体、燃烧和物质的本质提供依据,改善地面上与人类生活密切的流体、燃烧和物质特性。空间生命科学研究地球生物包括人类进入空间后,在空间特殊条件下的生存、变化和适应等问题,揭示太空环境对重要生命现象及生命过程的作用与影响,从而增进对生命起源、生命现象和本质以及生命活动基本规律的认识,为发展地基生物技术提供理论依据,并为改善人长期在太空生活质量提供依据。

秒变网红的微重力卫星“实践十号”有多厉害? 组建完毕的实践十号卫星

4. 国际领先的返回式卫星技术

我国是世界上第3个掌握返回式卫星技术的国家。在发射实践十号之前,我国已先后成功发射了23颗返回式卫星,成功回收了22颗。它们分为6种型号,即返回式卫星零号、一号、二号、三号、四号和实践八号。用这些返回式卫星不仅进行了遥感、微重力实验和新技术试验以及太空育种,还为中国掌握载人飞船返回技术提供了重要借鉴。

不过,卫星返回是一项很复杂的技术,要在空中准确的完成一系列的高难度动作,目前仍只有少数国家掌握。要使卫星要全地返回地面,至少攻克五大难关。

一是调姿关:在卫星返回前,把卫星从运行轨道的姿态准确地调整为返回的姿态,并使卫星在此姿态下保持稳定运行;

二是制动关:卫星上的制动火箭应按时点火,可靠工作,从而使卫星脱离原来的运行轨道,进入预定的返回轨道;

三是防热关:卫星返回时不仅要保证卫星在高速返回过程中不致因与空气强烈摩擦而被烧毁,而且舱内温度要保持在仪器舱工作的最高温度以下;

四是软着陆关:要有可靠的降落伞系统和回收控制系统,保证以很低的速度着陆,回收物品完好无损;

五是标位及寻找关:要保证能够实时准确地预报及测量卫星的落点位置,使回收区工作人员尽快发现返回舱,并开展回收作业。

目前,航天工程师还在研制可重复使用的返回式卫星,目的是减少空间科学实验的成本,如果成功,前景十分广阔。此次实践十号飞行首次探索返回式卫星低成本技术和航天器产品可重复使用技术。 (作者:谢博 空间科学传播专家)

编辑:薛燕男

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