實踐五號衛星

實踐五號衛星

1999年5月10日,實踐五號衛星和風雲一號C星在太原衛星發射中心由長征四號乙火箭成功發射。實踐五號衛星是中國第一顆採用公用平台思想設計的小型科學實驗衛星,該星圓滿完成了任務,其中空間單粒子效應及其對策研究取得了成功,為中國航天器的抗輻射加固設計提供了重要的環境參數。用該星出色完成的空間流體科學實驗,獲得了國際微重力學領域的重大成果。

  • 中文名稱
    實踐五號衛星
  • 外文名稱
    SJ-5
  • 研製單位
    中國空間技術研究院
  • 重量
    300kg
  • 發射時間
    1999年5月10日
  • 研製時間
    兩年

基本簡介

實踐五號衛星于1999年5月10日發射升空。到8月8日,已經完成其在軌90天的科學試驗使命。衛星狀態良好,中國空間技術研究院正在利用其壽命潛力開展平台技術試驗。衛星使用者為中國科學院,衛星研製通過招標,由中國空間技術研究院負責實施。實踐五號衛星發射成功,意味著中國空間技術研究院開發的CAST968小衛星平台的推出和套用。這也是中國空間技術研究院考慮到現代小衛星市場需求,不失時機地抓準實踐五號衛星研製的機會,開展小公用平台技術研究的重要途徑。

我國第一顆現代小衛星---實踐五號我國第一顆現代小衛星---實踐五號

主要任務

實踐五號衛星任務有效載荷包括三部分:空間環境測量有3台設備,分別用于測量空間電子、質子及重粒子和星內外輻射計量;單粒子效應及對策研究試驗有5台設備,分別進行單粒子事件檢測、單粒子禁止效應、單粒子事件翻轉、單粒子事件綜合效應和單粒子鎖定等試驗;空間微重力試驗為兩個液池,分別進行微重力和低重力環境下的流體對流試驗。在進行上述試驗的同時,兼顧進行新型航天器的技術試驗。由于衛星是採用公用平台思想開發的,該任務的完成意味著小衛星公用平台的建立。

實踐五號衛星實踐五號衛星

實踐五號衛星平台由8個分系統組成,分別為結構與機構、熱控、姿控、電源、測控、天線、星務管理、整體電路分系統。

衛星在設計上充分採用了電腦技術,整星由星務分系統的中心電腦進行統一資源管理,在遙控單元、遙測單元及姿控、電源和整體電路分系統中均設有下位機,形成主從式工作方式。

衛星有3種控製模式,第1種是對日定向三軸穩定,以滿足流體科學試驗10-4g微重力要求;第2種是對日定向自旋穩定模式,以滿足流體科學試驗第二工況和單粒子試驗的要求;第3種是利用冷氣、偏置動量輪建立和保持對地定向三軸穩定,進行小衛星公用平台技術試驗。

星上電源採用太陽電池陣與CdNi電池組聯合供電方案。測控採用S波段體製。熱控以被動控製為主,主動為輔的方案。衛星結構除對接環、頂板外,全部採用鋁蜂窩、鋁蒙皮形式。

實踐五號衛星整星構型呈六面體形式,尺寸為1.2m×1.1m×1.04m。為了適應運載限製包絡,星體頂部切掉兩個棱邊。星體底部是對接環,用以實現與運載的對接。星體兩側布放兩翼太陽電池陣,收攏狀態最大直徑1.789m,高度1.04m。衛星與運載是通過包帶進行連線,包帶直徑660mm。

技術指標

整星最大重量 500kg

左右平台重量(凈重) 200~300kg

平台尺寸 1.2m×1.1m×0.5m

方陣功率(BOL) 300~1000W

最大可承載載荷重量 100~250kg

可提供載荷功 率近地軌道:長期最大300W

載荷艙面積 1.32m2

姿控方式 三軸穩定、自旋穩定

指向精度 2~0.1°

指向穩定度 0.05~0.001°/s

測控體製 S波段

星箭接口 Φ637mm或Φ937mm包帶

變軌能力 可根據需要提供

壽命 1~5年

衛星可實現多種控製模式,具體由使用者載荷要求而定。自旋適應于空間科學試驗;對地定向三軸穩定適應于大多數通信和遙感類任務,該模式是CAST968平台的主要工作模式。控製系統在組成上按任務要求可以進行適當裁剪,針對每個具體任務,硬體配置上力爭採用最小模式構成,以提高可靠性,降低成本,縮短研製周期。控製分系統的測量部件一般包括太陽敏感器、地球紅外敏感器、星敏感器、三軸磁強計和陀螺,執行機構包括磁力矩器、偏置動量輪、反作用輪、冷氣推進系統、肼推進系統;控製主要為接口裝置、控製電腦。

熱控採用被動為主,主動為輔的控製方式。平行隔板內採用等溫化設計,長平行隔板內部埋設熱管,以實現等溫化控製。需要的情況下,在等溫化基礎上增加可控熱管。可控熱管一端與儀器安裝板內的熱管相連,另一端與星體散熱面相連。當儀器板溫度升高時,可控熱管的導熱能力加強,達到散熱的目的。熱控主要部件和材料有熱管、多層隔熱材料、塗層和加熱片。艙內溫度控製在-5~+35℃。艙外表面溫度±(65~70℃)。星體的散熱面根據運行軌道、姿態不同,可選擇星體不同側壁板或平台底板等。

星上電源採用太陽電池陣與蓄電池組聯合供電方案。電池片可選用Si(效率14.5%)或GaAs(單片效率18%)。電池陣結構採用模組系列,單塊太陽電池陣尺寸為1000mm×620mm或1200mm×900mm,根據供電要求不同,組成不同塊數的太陽電池陣。蓄電池採用CdNi 或H2Ni蓄電池,容量根據任務要求可選用17Ah(實踐五號)或23Ah(HY-1)的CdNi、30Ah或50Ah的H2Ni蓄電池。蓄電池組均採用N+1備份方式。根據任務及軌道要求,太陽電池陣可採用固定或可驅動的帆板形式。

測控採用S波段體製。射頻部分採用S波段統一測控體製及GPS定軌方案。具有跟蹤、測軌、遙測、遙控能力和建立星地回路的能力。遙測通道調製體製為PCM/DPSK/PM,副載波頻率62.5kHz,傳輸碼速率下行為4kb/s ,發射功率300mW;遙控通道調製體製為PCM/PSK/PM,副載波頻率8kHz,上行傳輸碼速率2kb/s。GPS用于衛星自主定軌測量。射頻通道除傳送、接收衛星上、下行信號外,還可提供地面天線跟蹤信標,引導地面天線對衛星進行自動跟蹤、測軌以及其它簡單通信功能,形成多任務的復用模組。

飛行成果

實踐五號衛星發射成功後,5月10日至11日進行了在軌測試,5月12日至19日進行了流體科學實驗。在這一階段流體兩相流液池連續開機,經過北京站時S波段發射機開機將流體圖像和科學資料傳回地面,其它有效載荷關機。5月20日以後進入空間環境實驗階段。在這一階段流體兩相流液池關機,5台單粒子研究的儀器和3台空間帶電粒子環境探測儀器連續開機,大容量存儲器開機,經過北京站時S波段發射機開機將大容量存儲器資料傳回地面。試驗主要成果如下:

1.微重力流體科學實驗

在兩個階段8天的時間裏,進行了33次空間流體科學實驗,獲得流體運動圖像12000餘幅,溫度記錄曲線近30小時(圖4是其中一段液池的控溫、測溫曲線),圓滿地完成了各項科學實驗任務。初步分析得到流譜圖和液池內的速度場分布,以及微重力條件下定常流和非定常流的對比圖像。

多層熱毛細對流是近年來國際微重力流體科學研究的前沿課題之一,不僅對發展和改善空間晶體材料生長方法和晶體品質有現實意義,並且對深入認識地面上具有自由面或介面的流體對流運動的特征和機理等流體物理領域的基礎問題有重要意義。此次試驗是我國首次空間微重力流體科學實驗,實驗中首次成功地套用了遙科學手段。實驗中觀測到了低重力條件下的熱毛細對流與浮力對流的耦合現象和大量未知的現象,對這些現象和規律的研究必將推動我國流體物理學的發展。

這次微重力流體科學實驗在我國是第一次,在世界上也是首次在衛星上實現如此復雜的微重力流體力學實驗。

2.新型航天器的新技術實驗

驗證了分散式資料管理系統、1553B匯流排、CCSDS資料傳輸標準、高速多路復接技術、現場可程式門陣列(FPGA)技術、DRAM固態大容量存儲器、S波段數傳發射機等新技術能夠適應于太陽同步軌道的空間環境。但是無論SRAM還是DRAM都會因單粒子事件而發生翻轉,硬體和軟體設計中必須充分考慮到這一問題,採取必要的防範措施,否則將影響電子儀器在空間環境中的正常運行。

3.空間單粒子事件效應

主要進行了空間電子、質子、高能粒子及星內輻射計量測量,圖5為探測到的質子分布。通過對實踐五號衛星探測資料的處理和分析,得到以下結論:

(1)在這個軌道上輻射總劑量引起的故障不嚴重,約為1~2rad(Si)/天,而一般器件耐輻射劑量為5krad(Si)以上。

(2)單粒子引起的鎖定是很危險的,但在這一軌道上發生單粒子鎖定的概率很小。在這一軌道上80C86和80C31CPU中的暫存器發生單粒子翻轉事件的概率也是很小的。實踐五號衛星至今尚未檢測到這類事件。

(3)在這個軌道上單粒子翻轉發生概率:

SRAM約為0.5~4次/(Mb·天)

DRAM約為0.2~1次/(Mb·天)

(4)禁止可以減少單粒子翻轉的概率,但不能完全避免單粒子翻轉。

(5)糾錯編碼對克服單粒子翻轉引起的錯誤有效,星載電腦硬體和軟體設計上,必須充分考慮單粒子引起的翻轉的影響。採用硬體和軟體EDAC的容錯設計,是避免單粒子翻轉效應的有效方法。

(6)單粒子翻轉發生概率與太陽質子事件有正相關關系,通過空間環境觀測與預報,使一些重要航天器避開較強的太陽質子事件是減少空間飛行器故障的有效辦法。

(7)工業級或商業級器件有可能在空間環境下可靠運行,但必須經過嚴格而有效的篩選。

4.小衛星公用平台技術得到驗證

實踐五號是緊緊圍繞建立小衛星公用平台思想開發的小衛星,為建立小衛星公用平台,設計上採用了許多新技術。主要成果如下:

(1)公用平台思想得到體現。設計伊始提出平台應為可裁剪的方案,並通過型號研製捲動性提高能力。因此整星在設計上均留有較好的可擴展、可裁剪的接口。首先為了建立小衛星公用平台,實踐五號衛星在構型設計上採用平台和有效載荷分艙布放的原則,它不因有效載荷的變化引起平台構型的重大變動。另外,在結構設計上,雖然實踐五號衛星當初提出的重量為350kg,但設計是按500kg考慮。它在系統配置上形成可裁剪的組合模式,以適應不同任務對衛星的要求。先進的星務管理系統增強了平台對各類有效載荷遙測、遙控及資料管理的適應能力,同時具有很強的可擴充能力。

(2)全鋁蜂窩板式衛星主結構經受住了考驗。除對接環及頂板外,衛星結構全部採用鋁蜂窩、鋁蒙皮板。星體內部長隔板既是儀器安裝板,又是主承力結構,這不同于傳統的衛星需要單獨的承力結構,可提高衛星結構的利用效率。整星試驗證明這種結構形式具有很好的阻尼特徵。

(3)立足全星集成設計的嶄新星務管理技術得到充分驗證。衛星採用二級分散式拓撲結構執行全星的業務管理——星務管理。其上層為雙冗餘的中心電腦,進行全星資源管理與控製,下層為若幹規範化的智慧型管理執行單元(在各分系統設備中的內嵌式下位機),各單元採用具有統一標準通信接口協定和資料通信格式的網路接口,與中心電腦形成主從式工作模式。它可完成遙控與資料管理、遙測資料採集與處理、程控指令提供、時間校時、溫控參數採集與控製、資料處理及分配管理等多項任務。這種採用標準通信協定,利用網路進行星上各類信息傳遞的方法,提高了工作效率。

(4)多模式姿態控製系統得到驗證。為完成科學試驗任務,實踐五號衛星設計成對日三軸和對日自旋穩定模式;考慮對地三軸穩定模式套用範圍廣,在科學試驗任務完成後,一個重要的平台技術試驗項目就是對地定向三軸穩定。目前衛星從對日轉向對地定向的大角度姿態機動已得到很好驗證,在對地定向試驗中最好姿態控製精度接近0.30。該試驗目前仍在進行中。

(5)國內S波段測控首先在軌套用。實踐五號衛星是中國第1顆在軌使用S波段測控體製進行測控的衛星。其使用不但對衛星有意義,同時為國內正在建設的S波段地面測控網提供了很好的演練機會。

(6)各類高新、商用器件得到在軌驗證,並有待作進一步的考核。從新技術驗證出發,衛星設計上部分項目採用了新技術、工業級器件,其中以姿控分系統80386EX、PC104電腦為代表,這是我國目前衛星上使用的最高檔次電腦晶片。

(7)偏置動量輪加磁控的姿態控製技術取得寶貴經驗。作為國內首次採用偏置動量輪、磁力矩器、磁強計組合姿態控製的技術在軌進行了很好的演練,達到預期目的。

(8)小型電池陣壓緊機構得到首次成功套用。太陽電池陣壓緊、釋放機構完全是一種新型、為小衛星研製的機構。衛星入軌後太陽電池陣順利展開,證實了這種技術已經開始走向套用。

(9)帶翼熱管使用效果明顯。通過增大熱管與儀器安裝板的接觸面積,提高了熱傳導效率。這是我國衛星上首次使用這種技術。在軌資料表明星內環境穩定均衡,熱管起了很好作用。

未來展望

當前國內各類小衛星需求日益迫切,為滿足這些要求開發的CAST小衛星平台已經開始其歷史使命。通過捲動式提高平台技術性能,該平台基本能夠滿足1999~2010年前後我國國防建設和國民經濟建設對小衛星的需求,如各種軍事套用、環境與災害監測、海洋探測、移動(特種)通信、科學實驗以及新技術試驗等等。大家期望著CAST968平台能夠為滿足這些需求作出更大的貢獻。

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CAST968小衛星公用平台

通過實踐五號衛星的研製實踐,中國空間技術研究院推出了CAST968小衛星平台。該平台也是根據我國目前小衛星廣泛需求而應運而生,其設計基于高的集成度、良好的性能,體現衛星整星業務管理的星務管理思想為其核心內容。

平台由結構、熱控、姿控、電源、測控、星務管理等部分組成。

平台基本結構同實踐五號,為一扁正方體:1.1m×1.2m×0.5m。根據軌道及功率要求,太陽電池陣可採用固定或驅動帆板,或部分體裝的外部結構。平台頂部安裝有效載荷,其尺寸根據有效載荷具體要求確定。由于平台與有效載荷分艙設計,擺脫了有效載荷對平台的束縛,使得平台適應能力更強。

帆板式太陽電池陣發射時可收攏在星體外側,星體外壁本身也可以作為電池陣一部分,因此平台的電池陣可以是體裝式、固定帆板式、單軸或雙軸驅動帆板形式。太陽電池陣壓緊方式採用專門為適應小帆板研製的壓緊帶機構。

考慮到變軌等對小衛星星座的適應性,在平台內部裝有肼推進系統。對變軌要求大的衛星,在平台底部可增加單獨的推進艙,既滿足軌道調整能力要求,又對平台結構影響較小。

衛星在設計上充分利用了電腦技術,整星由星務管理分系統的中心電腦進行統一資源管理,各分系統設定星務管理執行單元,形成主從式工作方式。星務管理執行單元可完成星上任務模組的監測、控製、供電和保護等諸多功能,它與電腦聯網,受電腦控製,賦予不同的任務模組,可完成不同的任務,因此可以實現可變結構的測量任務、控製任務、供電任務和保護任務,從而達到智慧型化的星務管理目的。由于採用電腦技術,整星的遙控指令、遙測路數等均具有很強的擴展能力,同時具有資料存儲能力。

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