邮发代码:82-418   刊号:ISSN1671-4350   定价:12.00

[去科技馆学科学]走进卫星公用平台

魏 蕾/中国科学技术馆

2020-05/总第290期

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2020年4月24日是第5个“中国航天日”,也是中国第1颗人造卫星“东方红一号”成功发射50周年纪念日。50年前,“东方红一号”承载着中国人千年的航天梦想划破夜空,让宇宙第一次听见“中国声音”,也开启了我国迈向航天大国的征程。


迄今为止,人造卫星是世界上发射数量最多、用途最广、发展最快的航天器,直接服务于国民经济和国防军事,成为现代社会发展不可缺少的重要组成部分。作为投入成本高、研制周期长、投产数量少、需求变化快的航天产品,人造卫星曾在一定程度上较难进行重复批量生产。随着模块化的设计理念被引入卫星设计中,通过通用化的研发,逐渐形成了卫星公用平台的设计思想,有效控制了卫星研制的周期和成本,促进了卫星规模化、产业化发展。

在《义务教育小学科学课程标准》中,要求学生认识“工程技术的关键是设计,工程是运用科学和技术进行设计、解决实际问题和制造产品的活动”。在中国科学技术馆,可以通过“太空探索”展区的展品“卫星设计师”和“东方红四号卫星”,了解人们是如何运用科学和技术进行卫星设计,解决卫星研制中的实际问题并制造出满足需求的卫星产品的。


卫星设计师

人造卫星用途各异,功能不一,涉及通信广播、对地观测、导航定位、科学探测和技术试验等多个领域。那么,不同功能的卫星是如何设计的?通过展品“卫星设计师”可以亲自“设计”并“发射”一颗自己的专属卫星。

该展品由平板电脑、液晶电视、电脑、展台等组成(见图1)。观众通过点击操作平板电脑进行卫星模拟设计,经过任务发布、卫星平台选择、载荷配置选择、运行轨道选择、卫星命名5个环节,完成卫星设计任务。不同的任务对于卫星平台、载荷配置、运行轨道有不同的要求,观众可根据各种平台和载荷的性能指标的达标情况,选择最合适的平台和载荷进行组装。同时,在设计过程中系统也会对观众选择的合理与否给出相应的提示。观众完成设计后,将卫星从平板电脑发射到演示地球卫星轨道的液晶电视中,随即可以在相应的轨道上查看自己所设计的卫星在轨运行情况和设计评价。4台平板电脑与液晶电视之间采用联动的运行方式,可同时容纳多名观众参与卫星设计体验和查看卫星在轨运行演示,并相互对比各自的设计成果。

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图1 展品“卫星设计师”


通过该展品可以了解卫星的结构构成是根据其承担的任务确定的,尽管各类卫星的用途不同,但都是由有效载荷和卫星平台两大部分组成。有效载荷是指卫星上直接完成特定任务的仪器、设备或系统,不同用途的卫星安装有不同的有效载荷。例如,遥感卫星需要安装照相机,通信卫星需要安装转发器,气象卫星需要安装扫描辐射计等。卫星平台是由卫星保障系统组成、可以支持一种或几种有效载荷的组合体,是每颗卫星完成各自特有使命必不可少的支持系统,一般由以下部分组成。

●  结构系统:确保卫星具有适当的强度和刚度,且有一定的外形和容积;

●  热控制系统:确保卫星内部维持在适当的温度;

●  姿态控制系统:确保卫星保持一定的姿态;

●  无线电遥测、遥控和跟踪系统:确保卫星与地面控制中心的联系;

●  推进系统:为控制卫星的轨道和姿态提供动力;

●  数据管理系统:采集、处理数据,以及协同管理卫星各系统工作;

●  电源系统:为卫星上所有需要用电的仪器设备提供电能;

●  回收与着陆系统:在返回过程中保证返回舱安全降落(针对返回式卫星)。

由此可见,卫星平台就好比货车,通过其车厢装载不同的货物(有效载荷),从而实现不同的应用性能。通过对已研制成功的卫星进行分析,发现无论在卫星上装载什么有效载荷,其基本功能都相似,只是具体的技术性能不同。根据这个特点,卫星公用平台的设计理念被应用到卫星研制中,从而实现了卫星平台的通用性,使其能在一定范围内适应不同有效载荷的要求。即只需要在卫星平台上做少量适应性调整,就可以装载不同的有效载荷,从而实现“一个平台,多种用途”。采用这种公用平台的设计方法,不仅可以有效缩短研制周期、降低研制成本,还可以提高卫星技术的可靠性和稳定性。


东方红四号卫星

任何一个公用平台的通用性都是有限的。为了满足更多应用需求,扩大公用平台的适用范围,需要对其进行归纳、综合、优选,实现公用平台的系列化,以适用于更多功能、种类、型号的卫星。目前,在我国通信卫星领域,已经形成了“东方红”系列平台,我们每天打接电话、收听广播、观看电视、上网等都离不开它们的服务。接下来,可以通过展品“东方红四号卫星”,了解“东方红”这个大家族。

该展品由东方红四号卫星高仿真模型、围栏、图文板组成(见图2)。观众可近距离观看东方红四号卫星的外观结构并了解相关性能。东方红四号卫星平台是我国大型静止轨道卫星公用平台,具有整星功率大、承载能力强、服务寿命长等特点,可用于大容量广播通信、电视直播、数字音频广播和宽带多媒体等多种业务类型。

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图2 展品“东方红四号卫星”


“东方红”家族包括东方红一号、东方红二号、东方红三号卫星,以及在此基础上形成的东方红三号、东方红四号、东方红五号卫星平台。1970年4月24日,东方红一号在酒泉卫星发射中心成功升空,奠定了“东方红”系列成为我国通信卫星的重要标志。1984年4月8日,东方红二号卫星发射成功,拉开了我国使用自主研发的通信卫星进行卫星通信的序幕。随着改革开放的推进,国内通信卫星市场需求不断增长,东方红三号卫星的诞生成功扭转了我国主要依赖国外通信卫星的局面,标志着中国通信卫星技术迈上了一个新台阶,并形成了东方红三号卫星平台。21世纪初,为提升我国自主研制通信卫星的国际市场竞争力,东方红四号卫星平台问世,其整星指标和能力达到国际先进水平,并实现了我国整星出口零的突破。为了满足未来20年内卫星研制需求,有力提升中国航天、中国制造的国际影响力,东方红五号卫星平台应运而生。2020年1月5日,东方红五号卫星平台首飞成功,预示着我国正跻身国际一流通信卫星“俱乐部”。与东方红三号、东方红四号相比,东方红五号在重量、功率、在轨寿命等关键性能指标上有跨越式提升,可广泛应用于高轨通信、微波遥感、光学遥感、空间科学探测、科学试验、在轨服务等多个领域,是世界航天领域少有的多适应性平台。依托“东方红”系列卫星平台,中国通信卫星平台型谱日益完备,能够满足各类空间领域发展和卫星通信应用需求。

当前,人造卫星的应用不断深入到人们生产生活的方方面面,逐渐改变着人们的生产生活方式,并促进社会发生深刻的变化。卫星的整体效能和应用性能很大程度取决于卫星平台的水平,随着空间飞行器的发射与在轨数量不断增长,卫星发射任务需求日益增多,卫星平台将朝着通用化、系列化、模块化有序发展。■


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