正文
神七小衛星有六大功能 可逼近“非合作目標”
來源：科學時報 時間：2008-9-27 14:23:58
本圖為理論虛擬效果圖，與實際情況有差異。 上海微小衛星工程中心製圖
神舟七號載人飛船載人航天飛行任務的亮點，除將開展航天員出艙活動外，就是在神舟七號載人飛船自主飛行第31圈時，釋放一顆伴飛小衛星，利用這顆伴星，對飛船進行照相和視頻觀測。
“此次伴星試驗任務一旦取得成功，標誌著我國將成為世界上少數幾個掌握空間釋放和繞飛技術的國家。”神舟七號飛船伴星分係統的主任設計師、上海微小衛星工程中心研究員朱振才在接受記者采訪時表示。
不僅僅是“伴飛”
伴隨衛星是伴隨在另一航天器附近作周期性相對運動的衛星。伴隨衛星大都具備一定的軌道機動能力，它往往以空間站、航天飛機、載人飛船或大衛星等大型航天器作為任務中心或服務對象(簡稱主星)，與主星按照一定的空間相對構型共同在軌飛行。
“其運行模式就相當於月球在繞著地球轉的同時也在繞著太陽轉。”朱振才向記者介紹，神舟七號飛行任務是我國首次開展航天器平台在軌釋放伴星，以及伴星的伴隨飛行試驗。
朱振才透露，伴星的想法是在2002年、2003年進行空間實驗室的論證時提出的。當時是希望能在空間實驗室上釋放一顆小伴星，跟空間實驗室進行配合和合作，進行一些技術集成的驗證。有專家提出，應首先和其他衛星一起搭載進行小衛星釋放技術的驗證和試驗。正好“神七”的軌道艙在航天員返回之後就沒有其他作用而成為自由飛行物了，於是希望利用“神七”軌道艙，搭載一個小衛星，實現釋放小衛星的試驗。
盡管在此次任務中，伴星對整個神舟七號載人飛船載人航天飛行任務沒有直接的支持作用，但是通過這次試驗，可以為以後的大型航天器或空間實驗室的釋放技術作技術儲備；與此同時，伴隨小衛星技術還可為航天器的在軌監測提供技術支撐。
“在執行航天器交會對接、航天員出艙活動，實施艙外結構安裝、艙外人工修複等任務時，還可以利用伴星提供艙外現場監視、航天員安全監視、空間環境突發事件監測。”朱振才說。將來，也可以利用伴星和主星，或者釋放多顆伴星組網，可以實現多星協同工作，完成一顆衛星單獨無法實施的應用任務，提高主星應用效率，擴大應用領域。
正因如此，此次伴星的任務目標主要有3個方麵：一是試驗和驗證伴星在軌釋放技術；二是伴星釋放後，對飛船進行照相和視頻觀測；三是在返回艙返回後，由地麵測控係統控製，擇機進行對軌道艙形成伴隨飛行軌道的試驗，為載人航天工程後續任務中拓展空間應用領域奠定技術基礎。
難就難在“小”上
伴星安裝在神舟七號飛船軌道艙的前端上方，利用彈簧實現伴星和飛船的釋放分離。在航天員返回軌道艙後，通過飛船遙控指令或航天員手動控製指令，點火器點火，爆炸螺栓起爆將伴星與飛船分離，同時行程開關接通，為伴星輸出星船分離信號。
那麽，在整個伴星研製中究竟有何技術難點？
“難就難在‘小’上，就像要把一個大巴車壓縮成小轎車。”上海微小衛星工程中心研究員、神舟七號飛船伴星總師助理陳宏宇在接受《科學時報》記者采訪時說，按照載人航天工程總體的要求，神舟七號飛船伴星的總重量隻有40公斤重，體積是450mm×430mm×450mm。但是麻雀雖小，五髒俱全。伴星作為一個小衛星，推進、姿控、高速數傳、USB測控、GPS自主定軌、有效載荷、大容量存儲等一應俱全。
為了滿足40公斤的限製，研究人員可謂絞盡腦汁。陳宏宇舉例說，像姿控太陽敏感器在以前的小衛星上就已經很小了，但在伴星上還是嫌大，研究人員隻能先把它切分成三片，一片片設計，然後一片片分裝在衛星不同的表麵上，最後三個麵的太陽敏感器總重隻有幾十克，功率也隻有150毫瓦。再如，伴星上的彩色雙鏡頭視頻相機隻有1.8公斤，推進模塊幹重隻有1.6公斤。
“有時人也需要壓力，如果當初給我們50公斤的任務，我想我們也隻能做出50公斤的樣子。”陳宏宇坦誠地說。
然而正是因為體積小、重量輕，伴星技術同時具備成本低、研製周期短、性能高、高新技術含量多、發射方式快速靈活等優點，因此越來越受到青睞。掌握微小衛星研發尤其是掌握在軌釋放技術是體現航天大國能力的重要標誌之一，是各航天大國競相發展的一個前沿熱點。
目前，伴星技術已是國際上航天領域的一項重要應用技術，國外已有多個研究和發展計劃，如德國的Inspector計劃、AERCam微納衛星、美國的XSS飛行器、Livermore微小衛星等。1997年首先實現了Inspector衛星由奮進號飛船發射，並實現繞飛。現已有多顆類似的伴隨航天器發射上天進行技術試驗。
高新技術的集成
2003年10月21日，中國科學院知識創新工程重大項目“創新一號”存儲轉發通信小衛星成功發射入軌，這是我國自主研製的第一顆100公斤以下的微小衛星，也是我國第一代低軌道數據通信小衛星。神舟七號載人飛船的伴星就是在繼承中科院創新一號小衛星成熟技術的基礎上研製的我國第一顆空間伴隨微小衛星。
“從技術上講，‘神七’伴星與創新一號小衛星在技術上有一定的繼承性，同時它具備更多的技術突破，而使用和驗證高技術正是小衛星技術的一個重要特點。”陳宏宇告訴記者。
例如，“神七”伴星就采用了多項創新設計，突破多項關鍵技術，許多技術在國內屬首次使用。伴星采用了兩艙結構一體化設計，采用了輕型鎂合金材料作為主結構框架，承力板同時用作星內單機的安裝板，提高了衛星的功能密度。使整星質量不超過40公斤，同時具有光學成像、大容量壓縮存儲、機動變軌、伴隨飛行、自主導航、多模式指向、測控數傳等多種功能。
朱振才說，“神七”伴星還實現了多項技術突破。首先是彩色視頻和高效信息存儲。“神七”伴星上裝有一台雙鏡頭可見光照相機，可以靈活利用兩個不同焦距的鏡頭分別在幾米到幾公裏的大範圍內對飛船進行彩色照相觀測或視頻觀測。星上JPEG2000圖像壓縮算法極大提高了數據存儲的效率。星上大容量存儲器最多可以存儲3000多張圖片。
其次是高效電源模塊。主要采用的國產三結GaInP2/GaAs/Ge高效太陽能電池陣，其光電轉換效率高於26.5%，接近國外先進水平；伴星在國內首次采用了大容量鋰離子電池作為在軌航天器電源，並通過對電源控製器的優化設計，實現對鋰離子電池組的安全控製和智能保護，保證伴星在軌電源供給。
第三是多任務指向模式的微型化姿控模塊。“神七”伴星具有GPS自主定軌能力和三軸穩定姿態控製能力，除了常規對地姿態定向外，還具備對飛船定向、變軌姿態機動和指向、對伴飛目標定向等多種指向功能。構成姿態控製模塊的太陽敏感器、磁強計、陀螺和動量輪、磁力矩器等均采用了微型化設計，其中三軸微型磁強計采用探頭與電路一體化設計。
第四是微型液化氣推進。伴星裝有一套微型液化氣推進係統，實現軌道機動、空間目標接近、軌道繞飛形成和保持。該係統具有體積小、重量輕、功耗低等優點。通過天地大回路控製，開展對非合作目標的接近及近距離繞飛，此項技術對我國未來的空間交會對接和軌道安全性技術均具有重要應用價值。
五是小型化測控與數傳。“神七”伴星采用統一S波段測控體製。安裝USB測控應答機，實現國內測控網對在軌伴星的統一測控管理；還安裝有一台高速數傳機，可將相機在軌拍攝的圖像數據快速下傳地麵。
安全是第一位的
“從某種程度上說，小衛星是高新技術的集成，但載人航天工程總體對我們的要求是：安全是第一位的，也就是在我們完成任務時，不能對‘神七’飛船和航天員有安全性隱患。而這，也是我們麵臨的最大的壓力。”朱振才說。
最典型的例子就是，此次伴星首次采用了大容量鋰離子電池技術。“關於鋰離子電池安全性的試驗貫穿了我大部分時間。”朱振才說。
按照工程總體的要求，研究人員必須在原理上、設計上、使用中都要保證電池在充電時不會發生爆炸，同時還要在實驗上驗證，倘若發生爆炸，也不會對航天器和航天員產生風險。
“其實最難的不是讓電池不爆炸，而是如何讓電池在真空的環境和在軌實際充放電狀態下發生爆炸，而又不對伴星以外產生危害，可以說是不是任務的任務。”朱振才說。
軌道控製也是設計安全性的一個難點所在。朱振才告訴記者，伴飛時，伴星離“神七”軌道艙平均距離較近，在軌道設計上，必須保證兩個飛行器在各自高速飛行時不會發生相撞。伴星的釋放速度越快，伴星就能距離軌道艙越遠；但是從研究的角度說，要完成伴星拍照的試驗，研究人員不希望伴星飛得太遠；另外，速度太快也容易造成伴星的姿態擾動過大，因此，也不要在釋放出去時速度太快、太高。
“我們必須采取一種合理的方式，既保證工程的安全性，也要讓我們的試驗要求完整實現。”朱振才說，最終伴星釋放的速度也是經過了多次的調查和試驗驗證才確定下來的。
來源：科學時報 時間：2008-9-27 14:23:58
本圖為理論虛擬效果圖，與實際情況有差異。 上海微小衛星工程中心製圖
神舟七號載人飛船載人航天飛行任務的亮點，除將開展航天員出艙活動外，就是在神舟七號載人飛船自主飛行第31圈時，釋放一顆伴飛小衛星，利用這顆伴星，對飛船進行照相和視頻觀測。
“此次伴星試驗任務一旦取得成功，標誌著我國將成為世界上少數幾個掌握空間釋放和繞飛技術的國家。”神舟七號飛船伴星分係統的主任設計師、上海微小衛星工程中心研究員朱振才在接受記者采訪時表示。
不僅僅是“伴飛”
伴隨衛星是伴隨在另一航天器附近作周期性相對運動的衛星。伴隨衛星大都具備一定的軌道機動能力，它往往以空間站、航天飛機、載人飛船或大衛星等大型航天器作為任務中心或服務對象(簡稱主星)，與主星按照一定的空間相對構型共同在軌飛行。
“其運行模式就相當於月球在繞著地球轉的同時也在繞著太陽轉。”朱振才向記者介紹，神舟七號飛行任務是我國首次開展航天器平台在軌釋放伴星，以及伴星的伴隨飛行試驗。
朱振才透露，伴星的想法是在2002年、2003年進行空間實驗室的論證時提出的。當時是希望能在空間實驗室上釋放一顆小伴星，跟空間實驗室進行配合和合作，進行一些技術集成的驗證。有專家提出，應首先和其他衛星一起搭載進行小衛星釋放技術的驗證和試驗。正好“神七”的軌道艙在航天員返回之後就沒有其他作用而成為自由飛行物了，於是希望利用“神七”軌道艙，搭載一個小衛星，實現釋放小衛星的試驗。
盡管在此次任務中，伴星對整個神舟七號載人飛船載人航天飛行任務沒有直接的支持作用，但是通過這次試驗，可以為以後的大型航天器或空間實驗室的釋放技術作技術儲備；與此同時，伴隨小衛星技術還可為航天器的在軌監測提供技術支撐。
“在執行航天器交會對接、航天員出艙活動，實施艙外結構安裝、艙外人工修複等任務時，還可以利用伴星提供艙外現場監視、航天員安全監視、空間環境突發事件監測。”朱振才說。將來，也可以利用伴星和主星，或者釋放多顆伴星組網，可以實現多星協同工作，完成一顆衛星單獨無法實施的應用任務，提高主星應用效率，擴大應用領域。
正因如此，此次伴星的任務目標主要有3個方麵：一是試驗和驗證伴星在軌釋放技術；二是伴星釋放後，對飛船進行照相和視頻觀測；三是在返回艙返回後，由地麵測控係統控製，擇機進行對軌道艙形成伴隨飛行軌道的試驗，為載人航天工程後續任務中拓展空間應用領域奠定技術基礎。
難就難在“小”上
伴星安裝在神舟七號飛船軌道艙的前端上方，利用彈簧實現伴星和飛船的釋放分離。在航天員返回軌道艙後，通過飛船遙控指令或航天員手動控製指令，點火器點火，爆炸螺栓起爆將伴星與飛船分離，同時行程開關接通，為伴星輸出星船分離信號。
那麽，在整個伴星研製中究竟有何技術難點？
“難就難在‘小’上，就像要把一個大巴車壓縮成小轎車。”上海微小衛星工程中心研究員、神舟七號飛船伴星總師助理陳宏宇在接受《科學時報》記者采訪時說，按照載人航天工程總體的要求，神舟七號飛船伴星的總重量隻有40公斤重，體積是450mm×430mm×450mm。但是麻雀雖小，五髒俱全。伴星作為一個小衛星，推進、姿控、高速數傳、USB測控、GPS自主定軌、有效載荷、大容量存儲等一應俱全。
為了滿足40公斤的限製，研究人員可謂絞盡腦汁。陳宏宇舉例說，像姿控太陽敏感器在以前的小衛星上就已經很小了，但在伴星上還是嫌大，研究人員隻能先把它切分成三片，一片片設計，然後一片片分裝在衛星不同的表麵上，最後三個麵的太陽敏感器總重隻有幾十克，功率也隻有150毫瓦。再如，伴星上的彩色雙鏡頭視頻相機隻有1.8公斤，推進模塊幹重隻有1.6公斤。
“有時人也需要壓力，如果當初給我們50公斤的任務，我想我們也隻能做出50公斤的樣子。”陳宏宇坦誠地說。
然而正是因為體積小、重量輕，伴星技術同時具備成本低、研製周期短、性能高、高新技術含量多、發射方式快速靈活等優點，因此越來越受到青睞。掌握微小衛星研發尤其是掌握在軌釋放技術是體現航天大國能力的重要標誌之一，是各航天大國競相發展的一個前沿熱點。
目前，伴星技術已是國際上航天領域的一項重要應用技術，國外已有多個研究和發展計劃，如德國的Inspector計劃、AERCam微納衛星、美國的XSS飛行器、Livermore微小衛星等。1997年首先實現了Inspector衛星由奮進號飛船發射，並實現繞飛。現已有多顆類似的伴隨航天器發射上天進行技術試驗。
高新技術的集成
2003年10月21日，中國科學院知識創新工程重大項目“創新一號”存儲轉發通信小衛星成功發射入軌，這是我國自主研製的第一顆100公斤以下的微小衛星，也是我國第一代低軌道數據通信小衛星。神舟七號載人飛船的伴星就是在繼承中科院創新一號小衛星成熟技術的基礎上研製的我國第一顆空間伴隨微小衛星。
“從技術上講，‘神七’伴星與創新一號小衛星在技術上有一定的繼承性，同時它具備更多的技術突破，而使用和驗證高技術正是小衛星技術的一個重要特點。”陳宏宇告訴記者。
例如，“神七”伴星就采用了多項創新設計，突破多項關鍵技術，許多技術在國內屬首次使用。伴星采用了兩艙結構一體化設計，采用了輕型鎂合金材料作為主結構框架，承力板同時用作星內單機的安裝板，提高了衛星的功能密度。使整星質量不超過40公斤，同時具有光學成像、大容量壓縮存儲、機動變軌、伴隨飛行、自主導航、多模式指向、測控數傳等多種功能。
朱振才說，“神七”伴星還實現了多項技術突破。首先是彩色視頻和高效信息存儲。“神七”伴星上裝有一台雙鏡頭可見光照相機，可以靈活利用兩個不同焦距的鏡頭分別在幾米到幾公裏的大範圍內對飛船進行彩色照相觀測或視頻觀測。星上JPEG2000圖像壓縮算法極大提高了數據存儲的效率。星上大容量存儲器最多可以存儲3000多張圖片。
其次是高效電源模塊。主要采用的國產三結GaInP2/GaAs/Ge高效太陽能電池陣，其光電轉換效率高於26.5%，接近國外先進水平；伴星在國內首次采用了大容量鋰離子電池作為在軌航天器電源，並通過對電源控製器的優化設計，實現對鋰離子電池組的安全控製和智能保護，保證伴星在軌電源供給。
第三是多任務指向模式的微型化姿控模塊。“神七”伴星具有GPS自主定軌能力和三軸穩定姿態控製能力，除了常規對地姿態定向外，還具備對飛船定向、變軌姿態機動和指向、對伴飛目標定向等多種指向功能。構成姿態控製模塊的太陽敏感器、磁強計、陀螺和動量輪、磁力矩器等均采用了微型化設計，其中三軸微型磁強計采用探頭與電路一體化設計。
第四是微型液化氣推進。伴星裝有一套微型液化氣推進係統，實現軌道機動、空間目標接近、軌道繞飛形成和保持。該係統具有體積小、重量輕、功耗低等優點。通過天地大回路控製，開展對非合作目標的接近及近距離繞飛，此項技術對我國未來的空間交會對接和軌道安全性技術均具有重要應用價值。
五是小型化測控與數傳。“神七”伴星采用統一S波段測控體製。安裝USB測控應答機，實現國內測控網對在軌伴星的統一測控管理；還安裝有一台高速數傳機，可將相機在軌拍攝的圖像數據快速下傳地麵。
安全是第一位的
“從某種程度上說，小衛星是高新技術的集成，但載人航天工程總體對我們的要求是：安全是第一位的，也就是在我們完成任務時，不能對‘神七’飛船和航天員有安全性隱患。而這，也是我們麵臨的最大的壓力。”朱振才說。
最典型的例子就是，此次伴星首次采用了大容量鋰離子電池技術。“關於鋰離子電池安全性的試驗貫穿了我大部分時間。”朱振才說。
按照工程總體的要求，研究人員必須在原理上、設計上、使用中都要保證電池在充電時不會發生爆炸，同時還要在實驗上驗證，倘若發生爆炸，也不會對航天器和航天員產生風險。
“其實最難的不是讓電池不爆炸，而是如何讓電池在真空的環境和在軌實際充放電狀態下發生爆炸，而又不對伴星以外產生危害，可以說是不是任務的任務。”朱振才說。
軌道控製也是設計安全性的一個難點所在。朱振才告訴記者，伴飛時，伴星離“神七”軌道艙平均距離較近，在軌道設計上，必須保證兩個飛行器在各自高速飛行時不會發生相撞。伴星的釋放速度越快，伴星就能距離軌道艙越遠；但是從研究的角度說，要完成伴星拍照的試驗，研究人員不希望伴星飛得太遠；另外，速度太快也容易造成伴星的姿態擾動過大，因此，也不要在釋放出去時速度太快、太高。
“我們必須采取一種合理的方式，既保證工程的安全性，也要讓我們的試驗要求完整實現。”朱振才說，最終伴星釋放的速度也是經過了多次的調查和試驗驗證才確定下來的。
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