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两多三高一复杂,这颗E星不简单 来源:中国气象报社 日期:2021年07月05日09:41

  专家顾问:中国航天科技集团有限公司第八研究院高级工程师、风云三号E星副总指挥 缪鹏飞

  采访人:中国气象报记者 张艺博 李慧

  风云三号E星作为全球首款晨昏轨道气象业务卫星,由于运行轨道、载荷配置等多项使用要求变化,其技术再度升级、研发难度进一步增加。

  中国航天科技集团有限公司第八研究院(简称八院)高级工程师、风云三号E星副总指挥缪鹏飞将风云三号E星(以下简称E星)技术特点和难点概括为“两多三高一复杂”,即有效载荷多、活动部件多、定量化要求高、防污染要求高、寿命要求高、电磁兼容复杂。研发团队层层破难题打通关,终于让风云三号E星顺利通过出厂验收。

  1、有效载荷多

  E星共配置有11台(套)有效载荷,是目前国内载荷数量和种类最多的卫星,具有大气温湿度垂直探测、高精度海面风场精确探测、高灵敏全球微光探测、全能谱太阳观测、空间环境监测等多项能力,真正实现“一星多能”。要整合如此多不同功能的遥感仪器,并在一颗卫星上协同、稳定、高效工作,对整星的布局、视场、热控、动力学、电磁兼容等设计都是挑战。

  E星载荷种类多,各载荷在轨工作模式多达41种,不同载荷地面测试验证的工作要求也各不相同。例如,红外高光谱大气探测仪的干涉仪工作时须为水平放置状态;风场测量雷达对外电磁辐射能量大,整星电测试须放置在电磁屏蔽屋内;太阳辐照度光谱仪、太阳X-EUV成像仪的二维转台须在水平放置状态下进行转台测试……这使E星地面测试周期长、设备多、工作复杂。

  2、活动部件多

  E星活动部件多达49种、64台(套),数量及种类均为风云三号系列星之最,这带来两方面的研制困难。

  其一是活动部件的设计和过程控制难度大。E星活动部件种类多,在轨工作周期长,最高转动圈数达1010转,机械系统、润滑系统、环境适应性、制造过程要求高,管控要素复杂。

  其二是E星活动部件运动模式多样、干扰力矩复杂、动力学设计难度大,卫星姿态控制精度和稳定度要求高。卫星研制团队通过频谱规划、运动特性分析优化、试验验证等工作,实现卫星三轴姿态稳定度优于0.002度/秒,与当今欧美同类卫星JPSS-1、Metop-C控制性能相当。

  3、定量化要求高

  E星遥感探测数据包含风、温、湿、压、云等气象要素和气溶胶等大气、生态环境监测所需的观测资料。在轨可获取空间水平分辨率250米、垂直分辨率2公里、图像定位精度优于250米、幅宽优于2600公里的对地定量遥感信息,实现可见光通道优于5%、红外通道优于0.4K、微波通道优于0.8K的定标精度。

  与D星相比,E星探测性能大幅提升:它在国内首次实现双频双极化海面风场精确探测,测风精度达到2米/秒;中分辨率光谱成像仪动态范围达到7个数量级,在1/4月光辐亮度下信噪比大于11,是我国最先进的定量化微光探测仪器;红外高光谱大气探测仪观测覆盖能力提升80%,灵敏度达到国际先进水平,辐射探测精度和光谱精度为目前星载最高水平。

  这些性能的提升,对系统设计、加工工艺、探测器研制等方面均提出很高要求。

  4、防污染要求高

  E星上对尘粒、有机物分子和水汽等环境因素存在敏感特性的器件或组件共计59项。其中,高光谱载荷内部狭缝宽度最小为100微米,细微灰尘颗粒很可能造成光学系统失效;红外波段探测器工作温度为85开尔文,有机物、水汽挥发凝结污染风险大;太阳辐照度光谱仪光栅刻线密度高达3600条/毫米,污染物沉积敏感度高。因此,卫星全周期总装测试过程环境条件需满足10万级清洁度要求,并持续对高定量光学遥感仪器进行氮气保护。

  5、寿命要求高

  卫星各部件都是有寿命的,一旦某一部件过期,故障会导致整个卫星失效。所以,人造卫星在设计研制过程中,需要分析各部件的寿命。对于一些寿命较短的部件,可以采取备份的方法。另外,由于生产制造可靠性的因素或空间环境的作用,一些部件在达到使用寿命之前也可能提前损坏。这就要求在地面上提高加工制造精度,并且对一些容易损坏的重要部件实行冗余备份。

  E星为全天时全天候不间断工作,保证8年即7万小时工作寿命,研制难度大。

  6、电磁兼容性复杂

  卫星包含主动探测和被动探测的载荷,为电磁兼容带来风险。尤其是要实现大功率主动探测雷达与-140dBm超高灵敏度被动探测载荷良好的兼容工作,需要在研制初期就进行复杂细致的频谱规划和构型布局的隔离设计。

  另一方面,卫星频率范围广,覆盖X射线、紫外、可见、红外、微波等多个频段,电磁环境复杂。

  风云系列气象卫星每颗星的使用要求都在提升,载荷配置、平台技术、功能特点都有变化,是典型的“小步快跑”模式。虽然一定程度上增加了研制难度和研制周期,但是也带动和引领我国航天持续实现技术创新和突破。

  (责任编辑:张林)



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