天舟一號成功釋放立方星:10厘米小身材卻有大智慧


來源:微信公眾號“國資小新”   時間:2017-08-02





       昨天(8月1日)有個大新聞,或許你沒注意到——
 
       8月1日15時03分,天舟一號貨運飛船成功在軌釋放一顆立方星,隨即地面成功捕獲立方星。
 
       本次試驗是我國首次通過飛船系統(tǒng)采用在軌儲存方式釋放立方星,完成了非火工品裝置的分離解鎖技術(shù)、部署發(fā)射器與立方星間接口匹配技術(shù)以及部署發(fā)射器制造的材料和工藝保證技術(shù)驗證,為后續(xù)我國空間站開展微納衛(wèi)星部署發(fā)射及在軌服務(wù)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
 
       本次在軌釋放的立方星為標準3U結(jié)構(gòu),安裝在立方星在軌部署發(fā)射器內(nèi),于今年4月20日隨天舟一號貨運飛船發(fā)射升空,已在軌儲存104天,該星的主要任務(wù)是開展相關(guān)航天新技術(shù)試驗驗證。
 
       沒看懂?沒關(guān)系,小新為您詳解,這件事牛在哪兒。
 
       10厘米的立方星:小塊頭有大智慧
 
       隨著微電子、微機械、納米等技術(shù)的發(fā)展和衛(wèi)星設(shè)計思想的創(chuàng)新,衛(wèi)星正變得越來越小。按重量劃分——
 
       500至1000千克的為小型衛(wèi)星
 
       100至500千克的叫微小衛(wèi)星
 
       10至100千克的是微型衛(wèi)星
 
       1至10千克的叫納衛(wèi)星
 
       0.1至1千克的叫皮衛(wèi)星
 
       重量小于0.1千克的叫飛衛(wèi)星
 
       1999年,美國斯坦福大學(xué)教授湯姆·肯尼對皮衛(wèi)星提出了一種新概念——立方星,其重量為1千克,體積為10厘米×10厘米×10厘米(也叫1U)。由若干顆立方星(若干個U)可以組成立方體納衛(wèi)星。此后,這兩種小衛(wèi)星得到了飛速發(fā)展。隨著小衛(wèi)星技術(shù)的日新月異,小衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)也逐漸成為世界航天活動高速發(fā)展的主要驅(qū)動力和重要發(fā)展領(lǐng)域,正孕育著未來航天發(fā)展的重大變革。
 
用途廣
 
       立方星或立方體納衛(wèi)星可廣泛用于通信廣播、對地觀測、科技試驗等各個領(lǐng)域。目前,世界上有多家研究機構(gòu)與企業(yè)在專門研制、生產(chǎn)和供應(yīng)標準化、模塊化的立方星。僅幾年時間,立方星就已從創(chuàng)新概念、系統(tǒng)設(shè)計、技術(shù)實現(xiàn)、飛行實驗發(fā)展到具體空間應(yīng)用,發(fā)射數(shù)量也快速攀升。不少國家通過立方星圓了“航天夢”。2013年,厄瓜多爾和秘魯成功發(fā)射自主研制的立方體納衛(wèi)星,實現(xiàn)了本國首顆衛(wèi)星的突破。
 
       成本低
 
       立方星技術(shù)的迅猛發(fā)展和發(fā)射方式增多,與其低成本密不可分。與建造成本動輒上億美元的傳統(tǒng)大衛(wèi)星相比,立方星的成本可謂滄海一粟。目前,“一箭多星”發(fā)射已成為立方星發(fā)射的主流方式。今年,印度創(chuàng)造了“1箭104星”的世界紀錄,其中大多數(shù)是立方星或立方體納衛(wèi)星。此種發(fā)射方式大大提高了發(fā)射利用率,降低了單星發(fā)射成本和進入太空的門檻,活躍了商業(yè)發(fā)射市場。
 
       另外,立方星還可通過國際空間站機械臂附加的小衛(wèi)星釋放裝置到太空。從國際空間站上釋放的立方星振動更小,有助于降低設(shè)計難度和生產(chǎn)成本,并可充分利用有人參與的優(yōu)勢,在站上進行測試和一定程度的維修,甚至根據(jù)需求進行組裝。
 
       好操控
 
       在立方星基礎(chǔ)上還出現(xiàn)了手機衛(wèi)星。所謂手機衛(wèi)星就是以立方星為衛(wèi)星平臺,用智能手機進行控制的新型衛(wèi)星。2013年2月,英國薩瑞衛(wèi)星公司研制的全球第一顆智能手機衛(wèi)星升空。它是一個3U的立方體納衛(wèi)星,除了太陽能電池板和推進系統(tǒng)外,它具有傳統(tǒng)衛(wèi)星的所有部件和功能,是全球第一個采用3D打印零件進入太空的航天器。
 
       背景資料:天舟一號
 
       天舟一號貨運飛船,由中國空間技術(shù)研究院(中國航天科技集團五院)研制的一款貨運飛船,也是中國首個貨運飛船。天舟一號的成功發(fā)射,將是我國載人航天工程“三步走”戰(zhàn)略計劃“第二步”的收官之作。
 
       作為貨運飛船,天舟一號的首要任務(wù)就是運輸航天員所需的生活工作必需品,以及空間站所需的推進劑等。天舟一號在近地軌道上的運載能力為6.5噸左右,高于俄羅斯聯(lián)邦航天局研制的進步號M型(2.5噸)以及日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)的H-II運載飛船(6.0噸)。
 
       但是,如果你認為天舟一號僅僅是“太空貨物的搬運工”那就大錯特錯了,天舟一號還有以下幾個非常重要的任務(wù)。
 
       開展空間科學(xué)實驗
 
       天舟一號上總共搭載了40臺設(shè)備,在獨自飛行的三個月內(nèi),要進行13項太空試驗??臻g應(yīng)用系統(tǒng)將在天舟一號上開展多項科學(xué)實驗研究及技術(shù)驗證試驗,其中——
 
       “非牛頓引力實驗檢驗的關(guān)鍵技術(shù)驗證”獲得的試驗結(jié)果將為我國“衛(wèi)星重力測量”、“空間引力波探測”等空間計劃提供重要支撐;
 
       “主動隔振關(guān)鍵技術(shù)驗證”將為空間站高微重力實驗平臺研制奠定技術(shù)基礎(chǔ);
 
       “兩相系統(tǒng)實驗平臺關(guān)鍵技術(shù)研究”將在歐空局相關(guān)項目之前實施,有望使我國在此領(lǐng)域率先獲得科學(xué)成果和實驗技術(shù)的突破;
 
       “微重力對細胞增殖和分化影響研究”項目研究微重力等環(huán)境對干細胞增殖分化、生殖細胞分化及骨組織細胞結(jié)構(gòu)功能的影響,成果有望應(yīng)用于心臟、肝臟疾病的治療、器官移植、生殖健康,以及預(yù)防和治療骨質(zhì)變化疾病等方面。
 
       實現(xiàn)“太空加油”
 
       天舟一號將與天宮二號將首次實施推進劑在軌補加。
 
       “太空加油”看似簡單,卻是公認的世界性難題,目前掌握了在軌推進劑補加技術(shù)的國家僅有俄羅斯和美國,其中真正應(yīng)用在軌加注的國家只有俄羅斯。另外歐空局、日本等國家也在這個領(lǐng)域進行著積極的探索,國際競爭非常激烈。
 
       天舟一號作為我國全新設(shè)計的貨運飛船,擁有兩個獨立設(shè)計的推進劑儲箱,不僅為天宮二號攜帶一箱推進劑,用于自身控制的推進劑也可以進行“轉(zhuǎn)讓”,推進劑補加能力約為2噸。在飛行中將多次開展補加推進劑試驗,熟練掌握和控制該項技術(shù),為我國空間站的建立提供能源支持。
 
快速交會對接
 
       在天舟一號上天前,我國掌握的交會對接技術(shù)需要耗時長達兩天時間,天舟一號將首次使用自主交會對接技術(shù),可以將以前的兩天時間縮短為6個小時,大大減少了過程中的資源消耗,比如軌道資源等。也會進一步提高飛行器在軌飛行的可靠性以及航天員的舒適度,更大程度地保障未來空間站的安全。
 
       值得一提的是,自主快速交會對接,需要超遠程精確控制能力,比針尖對麥芒都困難。
 
主動離軌受控隕落
 
       一般衛(wèi)星完成使命后,隨著推進劑消耗殆盡,衛(wèi)星失去動力,運行軌道將會慢慢降低,直到落入大氣層被燒毀,在這個過程中,會產(chǎn)生一部分軌道碎片(太空垃圾),有可能成為未來航天器的殺手。
 
       天舟一號在降落的過程中,將全程經(jīng)由地面飛行控制人員控制,主動離開既定軌道,墜落在預(yù)定的安全海域。天舟一號的受控降落,不僅減少了離軌過程中的不確定因素,而且還避免自身成為太空垃圾,可以為打造潔凈安全的太空環(huán)境盡了自己最后的一份力。
 



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