我国正式进入“探日时代”!细数四大关键突破

2021-10-14 20:34    来源:北京日报

随着我国航天产业的不断发展,对地观测、空间科学等各类航天任务对高性能卫星平台的需求越来越迫切,尤其是具有超高指向精度、超高稳定度指标的卫星平台,是制约航天事业后续发展的关键“卡脖子”技术之一。2021年10月14日成功发射的我国首颗太阳探测科学技术试验卫星——太阳Hα光谱探测与双超平台科学技术试验卫星首次在轨应用磁浮技术,实现卫星超高指向精度、超高稳定度,对我国空间科学探测及卫星技术发展具有重要意义,标志着我国正式进入“探日时代”。

“十二五”期间,中国航天科技集团八院启动了超高指向精度、超高稳定度卫星平台预先研究,颠覆性地提出“动静隔离非接触”设计理念,有效解决了超精超稳平台瓶颈问题。“十三五”期间,在国家航天局的大力支持下,研制团队启动太阳探测科学技术试验卫星研制,突破了“动静隔离非接触”式卫星总体设计、“主从协同全解耦”超精超稳控制、新型大带宽超高精度磁浮作动器、两舱无线能源与信息传输等关键技术,验证了超精超稳控制指标,确保了太阳Hα波段光谱成像探测任务的顺利进行。

动静隔离彻底阻断振动传递!

传统卫星采用平台舱和载荷舱固连的设计方法,因此平台舱活动部件振动会不可避免地传递至载荷,造成观测质量下降。针对当前平台微振动直接影响载荷的瓶颈难题,太阳探测科学技术试验卫星在国际上首次采用了“动静隔离非接触”总体设计新方法,将平台舱与载荷舱物理隔离,并将飞轮、太阳帆板等微振动源集中于平台舱、太阳Hα光谱仪放置于载荷舱,采用磁浮控制技术和执行机构实现两者物理非接触隔离,不仅阻断了平台舱微振动的传递路径,同时解决了平台舱热变形对载荷舱影响,使载荷控制精度和稳定度提升两个数量级以上。

协同控制实现超精超稳!

传统卫星中,有效载荷均直接安装于卫星平台,卫星平台与有效载荷作为整体采用“平台主控、载荷随动”方式控制。采用“动静隔离非接触”总体设计新方法,太阳探测科学技术试验卫星将载荷舱和平台舱分成了互不连接的两部分,因此,如何实现两舱协同控制亟待解决。太阳双超卫星在国际上首次提出了“载荷舱主动控制、平台舱从动控制”的主从协同控制解耦新方法,解决两舱姿态和位置动力学耦合问题,实时、动态地将姿控力和位置控制力分配至对应的大带宽超高精度磁浮作动器,实现了两舱的稳定控制,使载荷舱的指向精度、稳定度均达到“双超”水平。

新方式!大带宽超高精度磁浮作动器

通过在磁场中置入通电线圈产生安培力,太阳探测科学技术试验卫星采用磁浮作动器实现对载荷舱的姿态控制,这就要求磁浮作动器具有高精度、大带宽、自身无干扰等特点。为此,团队开展了新型大带宽超高精度磁浮作动器关键技术攻关。采用闭合磁路优化设计,团队成功实现了磁场高均匀性,达到了大带宽隔离平台舱挠性与微振动干扰的效果;通过低噪声、低纹波、高精度功放驱动电流精密控制,实现了超高精度驱动电流输出,控制精度较传统方式高出两个数量级,使载荷舱超高指向精度、超高稳定度控制性能得以实现。

无线充电、高速通信——无线能源与信息传输技术

因两舱之间完全隔离,太阳探测科学技术试验卫星的载荷舱和平台舱无法通过电缆传输能源和信息。为此,卫星采用无线能源传输系统,把平台舱的能量源源不断地传输至载荷舱,满足载荷舱在整个寿命期间、各种工作模式下的能源需求。此外,卫星采用激光通信和微波通信两种“互为备份”的无线通信方式,在两舱之间架起5G高速通信通道,进一步提升了舱间通信的效率和可靠性。

太阳探测科学技术试验卫星首次在轨飞行获得的第一手飞行试验数据将大大降低双超控制技术后续应用风险,为双超平台系列化发展奠定坚实的技术基础。未来,双超平台技术还将在高分辨率对地详查、大比例尺立体测绘、太阳立体探测、系外行星发现等新一代航天任务中进行广泛推广应用,大幅加快我国迈入航天强国的步伐,推动我国空间科学领域、航天技术领域跨越式发展。