天宫二号“太空天气警报员”:空间环境分系统
发布日期:2016-10-14 浏览次数: 次 字体【

“天宫二号”空间实验室安排了地球科学观测及应用、空间科学实验及探测、应用新技术等领域的十余项高精尖的任务,这些实验有的是在探索宇宙最深处的奥秘,有的是帮助人们更好的认识海洋和大气,有的甚至是在解决将来星际旅行时食物的问题…...

如何“玩转”这么多高难度任务并保障它们有序、安全地运行下去呢?代表中国科学院牵头负责的中国科学院空间应用工程与技术中心,承担了“天宫二号”任务规划、总体管理和技术集成工作。

近期,科学大院将带大家一起了解这些“高大上”太空实验的神奇之处…...

今天我们来介绍一下“太空天气警报员”——空间环境分系统

空间环境分系统(全称:空间环境监测及物理探测分系统)主要用于实时监测“天宫二号”轨道上的辐射环境和大气环境,实现舱外16个方向的电子、质子等带电粒子的强度和能谱监测,以及轨道大气密度、成分及其时空变化与空间环境污染效应监测等。

空间环境分系统能干嘛?

大家现在都比较关心“全球变暖”、“自然灾害”、“城市雾霾”等地球上的环境问题。宇航员和航天器进入太空同样面临着环境问题,只不过其要面对的是外层空间环境的影响。

空间环境的要素包括高能带电粒子(质子、电子、重离子)组成的辐射环境和航天器轨道高度的大气环境等。“天宫二号”搭载的空间环境分系统就是主要用来实时监测辐射环境和大气环境的。

大家对辐射的危害应该较为了解,譬如福岛核辐射问题曾经引起大半个中国的恐慌。

在太空中,带电粒子的辐射能量很高,对于航天器来说,可能导致其材料性能下降或损坏;对于宇航员来说,可能破坏其器官组织,严重时甚至会威胁生命。

而说到大气环境,大气将对运行其中的航天器会产生阻力效应。一方面,大气阻力可能导致航天器轨道下降甚至寿命降低,另一方面,大气的扰动会使得航天器定轨精度下降。

“天宫”途中将遭遇地球上空辐射带中危险的高能带电粒子,“天宫”遭遇的辐射带异常区,整体像个圆锥,从“轮胎”上垂落到南大西洋上空

此外,大气中的氧原子具有非常强的氧化能力,它剥蚀航天器表面材料而使其性能下降;同时,微小颗粒附着在航天器表面,特别是光学器件表面,会引起器件污染,性能减弱等。

“天宫二号”发射到外太空后,轨道周围的大气将对“天宫二号”产生阻力, 特别地,在大气扰动剧烈的时候,甚至可能有提前陨落的风险。

周围的大气将对“天宫”产生阻力, 特别是大气扰动剧烈的时候,可能有提前陨落的风险。

空间环境分系统是怎样构成的呢?

空间环境分系统由中国科学院国家空间科学中心空间环境探测研究室研制,系统由带电粒子辐射探测器、轨道大气环境探测器和空间环境控制单元3台仪器组成。

其主要功能为:实现目标飞行器舱外16个方向的电子、质子等带电粒子的强度和能谱监测;实现目标飞行器舱外轨道大气密度、成分及其时空变化与空间环境污染效应监测等。

带电粒子辐射探测器身上的十六个小柱子(探头)可以从16个方向全天候捕获天宫轨道上的高能带电粒子

这玩意儿有多先进?

为了保证数据一致性,也为了以后载人航天轨道空间环境分析的便利性,“天宫二号”空间环境分系统的各项指标完全继承了“天宫一号”的空间环境分系统。

这也是考虑到“天宫一号”空间环境设计的前瞻性和国际上系列卫星更新换代过程中的数据一致性。目前“天宫二号”的空间环境分系统仍旧是国际先进的。

在辐射探测方面,多向粒子探测器集成了粒子能谱、通量和方向等的测量功能,探测数据可用于空间环境保障和空间物理研究。

粒子方向探测是仪器的一大特色。方向探测的分辨率高,范围大,分16个方向,覆盖了2π空间。仪器还采用了一体化设计,重量轻,功耗低。

在轨道大气探测方面,“天宫一号/二号”轨道大气环境探测器是首次将大气密度、大气成分、微质量集成的综合探测器,与国际空间站、彗星四极质谱仪、Cassini等卫星的大气探测载荷相比,具国际先进水平,其优势主要在于集成度高、探测内容更丰富,并且在实现相同功能性能的前提下,功耗、质量和体积更小。

轨道大气环境探测器,告诉你是谁拖延了天宫的脚步

研制它究竟有多困难?

科学家说,“天宫一号”的时候由于是首次突破小型化16向粒子探测技术、首次突破大气成分、密度传感器融合技术和微质量测量技术,遇到的困难确实比较多,不过经过设计师和研制人员的努力和辛劳,还是顺利地完成了具有国际水平的载荷,在轨工作正常,没有给载人航天任务拖后腿,他们很欣慰。

而现在的“天宫二号”完全继承了“天宫一号”的全部指标,同时克服了设计和研制上的技术难点。

不过呢,技术的进步是没有止境的。

在高质量地完成了“天宫一号”的任务后,科学家们对总体工作提出了更高更严的要求,并提出了7项适应新型号任务的具体的改动建议,目前这些改动在“天宫二号”上已全部实施到位。

进展如何?

空间环境分系统的3台设备为“天宫一号”任务的继承产品,所以在“天宫二号”时,直接进入正样研制阶段。

不过,为了适应“天宫二号”任务的要求,研究人员在“天宫一号”任务正样设计的基础上,进一步完善产品以提高产品的可靠性,在“天宫二号”任务中对产品的设计和状态进行了7项适用性更改,其中5项在天宫二号初样阶段完成。

改造后的产品经过补充环境试验和“天宫二号”初样系统联试的验证,产品工作正常,硬件和软件功能均正确,能够满足“天宫二号”的任务要求。

成果与突破

空间环境监测系统定位是以载人航天工程空间环境保障为主,兼顾空间物理研究。其任务目标为:

1.监测高能带电粒子辐射环境、轨道大气环境及其效应,为空间环境预报、空间环境变化机理研究以及目标飞行器、飞船和航天员的安全保障提供准确的实时监测数据;

2.突破多传感器综合探测技术,进一步提高我国空间环境探测技术水平。

圆满完成以上目标基础后,我们要在空间物理研究方面进一步取得收获。主要包括:

1.获得400km高度上辐射环境方向分布的全球覆盖数据以及轨道大气综合参数数据,支撑自主建模;

2.在可能的空间环境事件中,捕捉到有科学意义的新发现,支撑空间物理研究。

信息来源: 中科院物理所
(责任编辑: 张琦 )
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