太空华尔兹,揭秘微小卫星

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位于上海张江园区的中科院微小卫星创新研究院,是一个神秘的地方。进门的“卫星墙”上“挂满”了已发射上天的约20颗卫星模型,包括量子科学实验卫星、暗物质粒子探测卫星、“天宫二号”伴随卫星、碳卫星等“明星级”小卫星。

星箭对接

近日,中国青年报·中青在线记者来到这里,揭秘“小卫星家族”背后的故事。你可能无法想象,小卫星背后,是一个平均年龄仅31岁的青年科学家团队。

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卫星不一定都是“大个子”

碳卫星升空瞬间

与传统观念上的“大卫星”相比,微小卫星身材较为娇小。

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2015年3月30日,我国首颗新一代北斗导航卫星发射成功。这颗卫星从原先的几吨“瘦身”到800多公斤;原本十几个分系统需要20多台计算机控制,现在优化为1台,大大提升了卫星的运行效率。在“瘦身”过程中,采用的新技术占比超过70%。

部分研发人员在上海为碳卫星转运酒泉送行

“小卫星”到底“小”到什么程度?2016年与“天宫二号”一起发射的“天宫二号”伴随卫星,体积相当于普通笔记本电脑摊开时的大小。它可以对大型飞行器进行探测及状态监控。“就像我们在电影《星球大战》里看到的飞船旁边的小卫星那样转。”中科院微小卫星创新研究院微纳卫星研究所副所长、“天宫二号”伴随卫星主任设计师曹金说。

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只有50公斤重的“天宫二号”伴随卫星目前已圆满完成“天宫二号”和“神舟十一号”组合体伴飞观测、红外全景成像等多项新技术试验。

帆板安装

“原来的卫星一般是比较大的。但是,小卫星是科学创新发展的趋势。”曹金说,今后随着智能化和卫星集成度越来越高,微小卫星就会像北斗导航卫星一样,从原来的几吨重量“瘦身”到几百斤。

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会“跳舞”的碳卫星

卫星吊装

不仅在体积、重量上“瘦身”,年轻的卫星团队还希望在技术上赋予“微小卫星”更多突破点。

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“会跳舞的卫星”是中国首颗全球二氧化碳监测科学实验卫星的昵称。研制过程中,科学家们用“会跳舞”来形容这颗碳卫星在监测二氧化碳过程中所呈现的动态运行轨迹。

整星状态检查

与以往只用单一对地姿态探测地球的气象卫星不同,碳卫星采取了几种观测模式交互进行的方式。一会儿启用耀斑观测模式,利用太阳在海面的镜面反射提高信噪比,获取海面上空的二氧化碳数据;一会儿启用天底观测模式,利用地面的漫反射特性开展地面二氧化碳的观测;一会儿启用目标模式,用于跟踪地面的特殊目标,在约9分钟的飞越目标区观测期间内,这一模式可提供对观测点的大量观测数据。

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观测的过程中,碳卫星要不断调整“姿势”,跳起“太空华尔兹”。

整星EMC测试

它是世界上第三颗提供二氧化碳数据的卫星,在研制初期,没有模式可供借鉴。仪器是新的,卫星也是新的。“研制上的困难主要来源于观念,要不要做这个卫星?要不要突破?”碳卫星副总设计师张永合说,研制过程大概持续了6年,通过项目的不停优化、商讨,最终碳卫星在2013年取得关键技术的突破。

能想象有这么一颗活泼调皮的卫星吗?它一会儿看看太阳,一会儿又望望地球,身形好像在跳华尔兹,不停俯仰侧转,又像在开赛车,时快时慢。这与尽量追求身姿稳健的传统卫星截然不同。

2011年接手碳卫星总体设计时,年轻的设计团队大胆提出了“让卫星跳舞”的主意,并朝着这个艰难的目标前进。碳卫星的研发有助于提高我国环境气候的研究水平和国际话语权,同时也有利于向老百姓解释当下的雾霾等现象。

12月22日凌晨3点22分成功发射上天的我国首颗全球二氧化碳监测科学实验卫星 ,就是这么一颗调皮的卫星。它出自一个平均年龄只有31.2岁的年轻团队——中科院微小卫星创新研究院碳卫星团队之手。

每个人都能够拥有自己的卫星?

为了让科学家从一颗卫星中获得尽量大的科学回报,这个只有45人的团队奋斗了整整6年,在不断突破传统的过程中勇于创新、自我加压,力求把最新的科学设想变为现实。

“我们现在一年发射15颗到20颗卫星不成问题。”中科院微小卫星创新研究院副院长、北斗导航卫星总设计师林宝军自豪地说。在研究院蓝色的“太空墙”上写着几个大字——只要坚持,梦想还是可以实现的。

突破传统,让卫星“跳舞”

从过去几年才发射一颗卫星,到现在一年可以发射15颗到20颗卫星;从卫星平台研制“跟跑”欧美国家到“领跑”世界,青年科学家团队正在不断突破现有技术,创造奇迹。

传统卫星最怕的就是身姿不稳,一旦“翻身”就回复不过来,所以卫星姿态控制一直很受重视。不过,对碳卫星来说,不停翻转身姿却是一个不得不挑战的选择。

去年12月,中科院微小卫星创新研究院在中科院率先行动,成为首批四类机构改革验收中唯一全票通过且排名第一的单位。改革持续了26个月,其间发射了13颗卫星,占到该研究院成立14年发射卫星总数的68%。

“碳卫星要观测的海面太阳耀斑、地面目标、太阳、月亮都是不停在动的目标。对卫星而言,不仅要能搜索到观测目标,还要满足一定的光线入射方向约束。”碳卫星项目副总设计师张永合介绍说,要实现这些观测模式,碳卫星必须不断调整身姿,改变姿态机动速度。

更多、更小、更轻的卫星,是未来的发展目标。

“我们也可以按部就班,但更愿意接受挑战,突破传统。”张永合说,这个团队很年轻,很多成员都是一毕业就加入进来的,脑子里框框少,一心想着如何设法解决科学家提出的要求。

曹金说,以后的目标是卫星小到“能用手拿”,“我们有一个想法,就是未来让每个人都能拥有一颗自己的小卫星。”曹金认为,未来30年,人们很有可能可以通过自己的小卫星与太空对话,就像使用手机一样方便。

为了让碳卫星在轨道上按观测需求翻转,研发人员设计出了“斗牛舞”“探戈”“华尔兹”等多种“舞步”,而控制这些“舞步”的是极为复杂的模式切换与姿态导引控制程序。为确保卫星能在进入轨道后步态自如地“起舞”,这些程序都经过了无数次测试。

(原载于《中国青年报》 2017-11-16 03版)

“如果不把科学研究放在第一位,而只作为工程项目来对待,研发过程可能不会这么复杂。但碳卫星上天,必须要为科学家带回更多有价值的科研数据,才能体现其最大价值。”张永合说,做科学实验卫星,他们不会放弃这个初衷。

追求完美,再难也要试

普通卫星研制周期一般是4年,而碳卫星整整研发了6年。在不断突破、不断创新的过程中,这支年轻的队伍必须迎接伴随而来的挑战,一方面卫星诸多核心指标实现难度很大,另一方面项目的工程实施也存在诸多波折。然而,在漫长的研制岁月里,他们并没有“苦大仇深”,而是乐观面对。

碳卫星数传主任设计师何晓苑回忆,碳卫星初样、正样都需要去新疆乌鲁木齐进行场外测试。今年1月,他们去做测试时恰逢大雪,装载仪器的车辆在上山途中遇上路面结冰打滑,险情迭出。“不过,当我们登上山顶,看到群山连绵的雪景,瞬间忘记了一路的疲惫和惊吓,又打起精神,做起了试验。”

与一般卫星不同,科学卫星具有很强的探索性,在研制过程中,需要根据学科发展动向和科学认识的深入,开展一轮又一轮的方案优化分析与可实现性评估,尽可能满足科学家提出的最新要求。

比如,碳卫星中的云和气溶胶探测器,相比于立项初期,科学家期望增加三个角度偏振观测的要求,增加用漫反射板定标的方式。微小卫星创新研究院作为卫星总体单位,与仪器研制单位长春光机所联合分析,大胆决定为卫星增加一定的重量与功耗资源,使得这些设想得以实现。“很多想法听起来简单,但实现难度不小。对星上软件来说,需要针对更改做大量测试验证,其工作量往往超出软件修改本身。不过,既然科学家提出要求,再难我们也要试一试。”软件主任设计师万志强说。

尽管做得辛苦,但碳卫星的研制培养出了一批对空间大气探测任务有深入了解的卫星工程师。张永合认为,这更是一种收获,“今后当科学家再提出此类需求,这批跨界人才可以更好地将其翻译成工程语言,提供系统解决方案,打造更先进的探索未知的利器。”(摄影/谢震霖 袁慧厉 李宗德 撰文/许琦敏 郭超豪)

(原载于《文汇报》 2016-12-23 04版)

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