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实践十号(SJ-10):第25颗返回式卫星

       这颗与众不同的卫星,有着同样与众不同的“大脑”——龙芯抗辐照芯片。据悉,实践十号卫星载荷管理器和载荷电控箱的计算机单元,全部使用的是国产的龙芯计算机。载荷管理器和载荷电控箱为卫星舱内部有效载荷的正常工作提供支持保障,其任务是实现对留轨舱和回收舱内19个有效载荷的供配电、遥测、遥控、数据采集和存储,配合各载荷实现科学目标,将各类科学数据和工程参数复接组帧后经数传通道下传至地面,用于科学实验结果的计算和分析。实践十号卫星在轨运行的包括多颗龙芯高性能抗辐照芯片。

        龙芯芯片目前在轨开机后运行稳定、正常,这是龙芯芯片第三次在轨应用,本次运行轨道是近地轨道LEO。该芯片还在2015年发射的IGSO轨道的第17颗导航卫星(I1-S)和2016年发射的MEO轨道的第21颗导航卫星(M3-S)上进行了应用,目前运行稳定。

        龙芯计算机的稳定运行,表明我国真正掌握了空间加固及抗辐照处理器的技术,证明了我国有能力实现国产替代,保障星上软件及其供应链安全,不再在空间环境领域上受制于人。


返回式卫星:十载不鸣 一鸣惊人

        实践十号卫星总设计师赵会光介绍说:“实践十号的外形和原来的返回式卫星基本相同,采用柱锥组合体外形。从上到下,卫星主要分为返回舱和仪器舱两个舱段,在轨运行任务结束后,仪器舱和返回舱分离,仪器舱继续留轨实验,返回舱则返回地面。”

       返回式卫星按照用途一般可分为遥感、航天育种和空间科学实验三种。以往我国发射的返回式卫星均为遥感或航天育种卫星,而此次发射的实践十号是我国首颗微重力科学实验卫星。

       这是因为以往我国发射的返回式卫星中有个别卫星曾经搭载过一些微重力科学实验的载荷,但主任务不是进行微重力实验,而实践十号是一颗专门用于微重力科学实验的卫星。

      那么,到底为什么返回式卫星时隔10年后再次发射呢?

       以往我国发射的返回式卫星大部分是胶片回收型遥感返回式卫星,随着数据传输型遥感卫星的成熟,我国不再发射胶片型遥感返回式卫星,这也是世界遥感卫星的发展趋势。

       实践十号卫星总指挥邱家稳解释说:“胶片回收型遥感卫星退出历史舞台只是说目前不需要这种用途的返回式卫星,并不代表返回式卫星退出历史舞台。

       进入21世纪,返回式卫星的应用开始转型,由遥感向空间科学实验转变,典型的代表是俄罗斯和欧空局的光子号和生物号系列空间科学实验卫星。近年来,我国空间科学实验的需求开始增多,实践十号卫星就是这个背景下的产物。”

       相对于原来的返回式卫星,实践十号卫星搭载了更多的载荷,仅回收舱的载荷功耗就达到近300瓦,比原来的返回式卫星增加了近10倍。

       打比方说:“原来回收舱内的功耗相当于点了一个电灯,而实践十号则像放了一个电烤炉,散发出的热量大幅增加。更麻烦的是,返回式卫星回收舱外部覆盖了厚厚的烧蚀材料,导致卫星的散热性能很差,如果不采取降温措施,舱内的温度就会太高,无法开展实验。为此,实践十号采用流体回路的主动热控方案代替了以前的被动热控方案。”

http://www.spacechina.com/n25/n144/n206/n216/c1236222/content.html

实践十号首席科学家、中科院院士胡文瑞“项目遴选依据的是科学标准。”

  最终搭乘上实践十号的19个项目是从200多项申请中筛选出来的。“科学项目的申请由国防科工委定点向对口单位发布,征集项目后成立专家委员会,并依据科学标准开展函评、会评等。”胡文瑞说。

  创新性是科学标准里的硬指标。“19个科学实验任务涉及的28项科学实验研究都是全新探索,所有科学实验都具有创新,并且拥有很强的科学研究价值。”

  实践十号的全部科学项目中多项科学实验是在国际上首次开展,如热毛细对流表面波空间实验研究、哺乳动物胚胎发育等。“微重力环境做实验,是在极端环境里研究物理过程和生命过程,必然孕育着很多重大科学问题的突破,重复了就没有科学价值。”胡文瑞说。

  在实践十号的科学项目选择中,还避免了与中国空间站计划可能重复的内容,并有效利用返回式卫星在微重力水平和机动性上的优势。


实践十号卫星有效载荷及空间科学实验项目

  微重力科学实验,共10项,其中Soret实验箱和多功能炉回收 

  载荷名称    空间科学实验项目 

  蒸发对流箱  蒸发与流体界面效应空间实验研究

  颗粒物质箱  颗粒物质运动行为-颗粒流体气液相分离空间实验研究

  沸腾气泡箱  微重力沸腾过程中的气泡热动力学特征研究

  毛细对流箱  热毛细对流表面波空间实验研究

  胶体材料箱  胶体有序排列及新型材料研究

  Soret实验箱  微重力条件下石油组分热扩散特性的研究和Soret系数的测量

  导线特性箱  微重力环境电流过载下导线绝缘层着火烟的析出和烟气分布规律

  煤燃烧箱   微重力下煤粉/煤粒燃烧及其污染物生成特性研究

  非金属燃烧箱 典型非金属材料在微重力环境中的着火及燃烧特性研究

  多功能炉   多种空间熔体材料科学实验


  空间生命科学实验,共9项,全部回收 

  载荷名称   空间科学实验项目 

  生物辐射盒  空间辐射诱变的分子生物学机制

  辐射基因盒  空间辐射对基因组的作用和遗传效应研究

  家蚕培养箱  空间环境对家蚕发育的影响与变异机理的研究

  植物培养箱  微重力植物生物学效应及其微重力信号转导研究

  物质运输箱  微重力下细胞间相互作用的物质输运规律研究

  高等植物箱  空间微重力条件下光周期诱导高等植物开花的分子机理研究

  干细胞箱   微重力条件下造血与神经干细胞三维培养与组织构建研究

  胚胎培养箱  微重力条件下哺乳动物早期胚胎发育研究

  骨髓培养箱  微重力条件下人骨髓间充质干细胞的骨细胞定向分化效应及其分子机制研究


        实践十号卫星是我国空间科学先导专项首批科学实验卫星中唯一的返回式卫星,也是单次搭载空间实验项目最多的卫星。实践十号卫星专门用于“微重力科学和空间生命科学” 的空间实验研究。其主要任务是充分利用卫星留轨舱和回收舱,结合“促进我国空间微重力科学和空间生命科学发展”这一国家科技战略目标,开展涉及微重力流体物理、微重力燃烧、空间材料科学、空间辐射效应、重力生物效应、空间生物技术等领域的多项空间科学实验。

        实践十号卫星利用我国成熟的返回式卫星技术,紧密围绕有关能源、农业和健康等领域国家科技战略目标,结合航天器防火等关键技术需求,促进地面生物工程、新材料等高技术发展和生命科学等基础研究取得突破,获取具有国际先进水平的、具有自主知识产权的创新性重大科技成果,对于推动我国空间微重力科学和空间生命科学发展具有重要意义。

科学目标

开展空间科学实验,研究、揭示微重力条件和空间辐射条件下物质运动及生命活动的规律,取得创新科技成果。

★研究对流、相变传热的内在机理及动力学过程和不稳定性;验证类分子气液相分离理论;研究纯熵驱有序相形成和演化过程,探索裂纹形核、液晶相形成和金属纳米粒子自组装机制;研究多组分介质的交叉扩散规律;揭示微重力下着火、燃烧、污染物生成的规律。

 ★在空间制备新型的半导体晶体、金属合金及复合材料,揭示晶体生长过程中掺杂原子的选择性占位规律和合金组织形态形成与演化机制,深入理解材料从熔体中形成的界面动力学过程并发展相关理论。

 ★研究生命体对微重力的感受、传导、响应机理及其功能调控的机制,探索细胞、胚胎和组织对微重力的响应机制,揭示生物的空间辐射损伤及遗传变异机制。

工程目标

★研制一颗返回式空间科学实验卫星,通过卫星系统、运载火箭系统、发射场系统、测控系统、地面支撑系统和科学应用系统协调工作,完成多项科学研究空间实验任务,实现科学实验样品的回收和科学数据的下传。

主要创新点

★实践十号卫星是迄今为止一次性开展空间科学实验项目最多的卫星,科学实验涉及微重力流体物理、微重力燃烧、空间材料科学、空间辐射效应,重力生物效应、空间生物技术等6个学科方向多项科学研究,全部科学项目均为微重力科学和空间生命科学的研究课题,其中15项科学实验是国际上首次开展。

★在返回式卫星上首次引入流体回路控温技术,解决了空间材料实验设备(温度长期保持在700度附近)和生命科学实验设备(温度长期保持在36度左右)同处返回舱,温控要求高的技术难题。

19项科学实验内容

 ★微重力科学空间实验

1 蒸发与流体界面效应空间实验研究实验装置(蒸发对流箱)

观测液滴蒸发过程中的热流量、液滴形貌和接触角变化,获得液滴的平均蒸发速率。

2 颗粒气液相分离振动实验装置(颗粒物质箱)

观测多种振动参数和体系颗粒数密度等条件下,颗粒在两仓或三仓中的运动行为、团簇的形成与分布情况。

3 沸腾汽泡动力学实验装置(沸腾气泡箱)

通过局部过热实现微重力沸腾气泡生成时刻与位置的时-空精确定位,进而对微重力池沸腾现象中气泡生长过程的热动力学特征进行细致观测,认识生长气泡底部干斑与微液层演化以及加热器内部三维瞬态温度场演化等过程特征,揭示气泡热动力学与局部热量传输过程间的耦合作用及其对沸腾传热性能的影响机制,理解沸腾传热内在机理。

4 热毛细对流表面波空间实验装置(毛细对流箱)

通过改变注液量形成不同流体界面形态,观测流体表面温度分布、温度振荡、及表面形变等多物理参量变化及演变过程。

5 胶体有序排列及新型材料研究装置(胶体材料箱)

观察微重力下胶体粒子、聚苯乙烯微球以及金纳米颗粒包覆聚苯乙烯微球的自组装动力学过程,以及微重力下液晶相变过程。

6 石油组分的Soret系数测量装置(Soret实验箱)

建立有温度梯度而无浮力对流条件下的热扩散过程,获得相应的Soret系数。

http://www.esa.int/Our_Activities/Human_Spaceflight/Research/Sending_crude_oil_into_space_to_study_Earth_s_depths

7 导线绝缘层着火特性研究实验装置(导线特性箱)

分别在三种电流大小、三种绝缘层厚度和三种绝缘层材料下,导线自身电流过载时,观测绝缘层着火先期征兆、着火前期烟的析出特性和析出的烟气在有限密闭空间中的分布。

8 微重力下煤燃烧及其污染物生成特性研究实验装置(煤粉燃烧箱)

观测测量不同炉温、不同煤种、不同粒径和环境气体成分条件下单个球形煤颗粒和煤粉颗粒群的燃烧全过程,包括热解、挥发分释放、着火及火焰形状、燃尽等过程,测量着火温度、着火时间、挥发分燃烧时间、燃尽时间等,观测颗粒表面的气体密度变化以及火焰传播速度和污染物排放等。

9 非金属材料着火和燃烧特性实验装置(非金属燃烧箱)

依次对实验样品进行着火和火焰传播实验:对试样进行加热和点燃,测量试样点燃和火焰传播燃烧过程中的温度变化数据,获得试样点燃和火焰传播燃烧过程中的图像。

10 空间多功能材料合成炉(多功能炉)

完成空间微重力条件下熔体材料生长实验任务。提供材料实验所需的高温温场环境,实现多样品的转位换位、提拉生长、高温温度的精确控制功能。完成6个工位(8项样品)的空间材料生长实验。

        中国科学院上海硅酸盐研究所科研团队,联合中国科学院国家空间科学中心和航天科技集团第五研究院510研究所,共同研制成功了一套精密的空间材料科学实验有效载荷—“多功能材料合成炉”

      多功能炉是集机、电、热于一体的综合性智能化装备,具有体积小、质量轻、功耗低和自动化程度高等优异特点。仅需不到百瓦的功耗,就能将900℃以上的高温材料熔融,在微重力条件下开展新材料、新工艺以及材料科学机理问题的研究。在空间微重力状态下,通过自动控制,多功能炉可将直径约10mm的8种不同材料(半导体材料、金属及合金、复合材料和亚稳材料等)实验样品依次进行高温熔化、控制凝固和降温处理。完成空间实验后,材料样品随卫星的“返回舱”回收,由科学家进一步开展深入细致的分析研究。通过这些空间材料科学实验研究,有望改善特殊材料的加工工艺以及促进新材料新性能的开发与应用,为我国空间材料科学的发展做出新的贡献,并为我国下一步的载人空间站工程实施奠定基础。

  在多功能炉的8项材料实验中,上海硅酸盐所还承担了Bi2Te3基热电半导体晶体空间生长与性能研究和InGaSb三元光电晶体的空间生长、数值模拟与物性研究。这些项目在地面进行了大量的工艺参数探索和优化,有望获得具有价值的原创性的空间科学研究结果。 

★空间生命科学空间实验

11 辐射生物学实验仪(生物辐射盒)综合测量水稻等模式生物材料经历的空间粒子辐射,评估生物个体接受空间辐射的品质。

12  空间辐射对基因组的作用和遗传效应实验装置(辐射基因盒)完成小鼠细胞、果蝇等生物样品在轨培养实验;测量生物样品所经历的空间粒子辐射。

13 空间环境对家蚕发育的影响与变异机理的研究装置(家蚕培养箱)完成家蚕生物样品在轨培养实验。

14 微重力植物生物学效应及其微重力信号转导研究装置(植物培养箱)完成植物细胞生物样品在轨培养实验。

15 微重力下细胞间相互作用的物质输运规律研究实验装置(物质输运箱)完成骨组织细胞生物样品在设定物质输运条件下的在轨培养实验。

16 空间微重力条件下光周期诱导高等植物开花研究装置(高等植物箱)完成水稻、拟南芥植物样品在轨培养实验。

17 微重力条件下造血与神经干细胞三维培养与组织构建研究装置(干细胞箱)完成造血与神经干细胞样品在轨培养实验。

18 微重力条件下哺乳动物早期胚胎发育研究装置(胚胎培养箱)完成小鼠胚胎样品在轨培养实验。

        一个装有小鼠胚胎样品的胚胎培养箱,卫星发射后将对样品进行实时显微摄影并及时下传图像。这是国际上首次进行空间中小鼠胚胎体外培养发育实验,样品将随着回收舱返回地球后,科学家们将进行全方位分析研究。科学家们希望通过与地面对照实验结果比对,可以筛选出影响空间高等哺乳动物早期胚胎发育的相关基因,并对其功能进行深入研究。

19 空间骨细胞定向分化效应实验装置(骨髓培养箱)完成骨髓间充质干细胞样品在轨分化培养实验。


相隔十年 我国再次发射返回式卫星

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