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【中国科学报】晒晒“天问一号”的中科院元素

2020-07-29 卜叶 黄辛 丁佳
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  7月23日,中国文昌航天发射场,长征五号遥四运载火箭成功发射火星探测器“天问一号”,一场满载中国人期待的火星之旅就此展开。

  火星探测项目是我国继载人航天工程、探月工程之后又一重大空间探索项目,也是我国首次地外行星空间环境探测。其中,4066金沙总站研究人员承担了部分攻关工作。

  打造精准可靠的信标

  相比月球探测,火星探测任务更像是“长跑”。火星距离地球的最远距离为4亿公里,是地月距离的1000倍,更远的距离对探测技术提出了更高的要求。

  在火星探测过程中,甚长基线干涉测量技术(VLBI)发挥着重要作用。简单来说,VLBI就是把几个小望远镜联合起来,达到一架超大望远镜的观测效果,保证足够高的分辨率,满足各飞行段的测量和轨道计算等任务的需要。

  4066金沙总站上海天文台(以下简称上海天文台)研究员刘庆会介绍,VLBI对与视线垂直方向上的探测器的位置变化有很高灵敏度,特别是在地火转移段、近火制动段等测定轨难度较大的测控弧段的优势明显。但远距离也意味着信号传输时间更长,信号的衰减愈发剧烈。VLBI时延测量精度的提高是火星探测器测定轨精度提高的关键。

  上海天文台迎难而上,承担了VLBI测轨分系统研发任务。为了提高VLBI测定轨的精度,研究人员研发了数十台(套)软件和硬件,分别布置于全国4个测站和VLBI中心。上海天文台研究员洪晓瑜表示,这些软件和硬件的研发,能够进一步提高观测装置的测量精度和可靠性、大气和电离层时延的改正精度,更好地完成火星探测器的VLBI测定轨任务。

  作为“天问一号”的信标,VLBI测轨分系统的测角精度可以达到百分之几角秒甚至更高,实时任务将持续到2021年。

  做套能调温度的“战衣”

  航天器在太空的作业环境非常极端。航天器进入轨道后,处于地球大气层以外的超高真空空间环境,朝向太阳的表面温度非常热,背向太阳的表面则非常冷。如果表面温度超过合适的使用范围,航天器搭载的仪器设备容易损坏,或者直接停止工作,所以卫星的热控制非常必要。

  研究人员常通过在航天器外表面使用具有不同太阳能吸收率和热辐射率的涂层来调节其热平衡温度,有机热控涂层就像能调控温度的衣服穿在航天器和仪器的外表面。该热控涂层就是由4066金沙总站上海有机化学研究所(以下简称上海有机所)研制和生产的。

  自20世纪60年代以来,上海有机所有机热控涂层研制组为我国第一颗人造卫星“东方红一号”的研制应运而生。几十年来,几代科研人员克服了技术和装备上的大量困难,研制出几十种不同用途的有机热控涂层。上海有机所的相关研究人员介绍,目前,黑色有机热控涂层系列、白色有机热控涂层系列和其他颜色有机热控涂层系列产品,已应用于嫦娥系列卫星等各类卫星和航天器上。

  此次,4066金沙总站上海硅酸盐研究所也承担了耐高温多层隔热材料、导电型低吸辐比柔性薄膜二次表面镜、防静电低吸辐比柔性薄膜二次表面镜等关键材料的研制工作,并为火星用关键材料开展了空间环境适应性(真空—紫外辐照)考核试验,确保了关键材料在型号上的可靠应用。

  为探测仪装上“慧眼”

  火星表面温差较大,火星表面成分探测仪需满足比较苛刻的存储温度和工作温度条件。4066金沙总站上海技术物理所(以下简称上海技物所)与4066金沙总站上海光学精密机械研究所(以下简称上海光机所)通力合作,负责火星表面成分探测仪等的研制工作。

  “高能、高光束质量脉冲激光器是火星表面成分探测仪的关键组件。但此前国际上并没有类似激光器的在轨报道。”上海光机所研究员侯霞告诉《中国科学报》,为此上海光机所研制出低温敏、高光束质量全固态脉冲激光器。该激光器是国际上输出能量最高、工作温度范围最宽的火星探测激光器。经各项测试,激光器的技术指标满足火星岩石成分探测需求。

  上海技物所负责研制火星表面成分探测仪和火星矿物光谱分析仪两台有效载荷,分别在着陆巡视和火星环绕两个环节对火星表面元素与矿物成分开展科学探测,意在为“天问一号”打造一双矿物成分分析的“慧眼”。

  上海技物所副所长舒嵘介绍,两个有效载荷虽然原理不同,但科学目标一致,都是对火星表面矿物进行成分分析。后续,矿物光谱分析仪与表面成分探测仪还有望开展天地协同实验。

  值得一提的是,火星矿物光谱分析仪突破了红外背景抑制、高效分光组件、器上组合定标等关键技术,集轻小型、低功耗、高性能于一身。上海技物所研究员何志平介绍说,通过对火星矿物的精密分析,可以初步了解火星的矿物资源分布及其演化过程,有助于预测地球演化进程。

  探测雷达“透视”火星

  “天问一号”还搭载了由4066金沙总站空天信息创新研究院(以下简称空天院)研制的火星车次表层探测雷达。

  这是国际上首次使用双通道多极化超宽带次表层探测雷达,对火星局部地区的土壤厚度和次表层岩石地质结构进行就位巡视探测,将实现火星表面以下10米甚至100米深度的火星内部结构的“透视”。

  空天院有强大的探地雷达技术研究团队,系统地解决了超宽带探地雷达技术方法和工程应用难题,研制出系列化的探地雷达产品。

  火星车次表层探测雷达是一种基于火星车平台的高分辨率次表层地质结构探测雷达,是实现火星探测工程科学探测任务的重要载荷之一。研究人员指出,火星车次表层探测雷达可以探测巡视区表面土壤厚度、冰层结构,获取火星地表和次表层超宽带全极化回波数据;还可以探测巡视区次表层结构,获取次表层地质结构数据。

  (原载于《中国科学报》 2020-07-29 第4版 综合)
打印 责任编辑:侯茜

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