本刊特約記者 龐丹 潘晨

?

科學(xué)實驗當(dāng)先鋒
—訪實踐-10衛(wèi)星總設(shè)計師趙會光

本刊特約記者 龐丹 潘晨

2016年4月18日，實踐-10回收艙成功在內(nèi)蒙古四子王旗回收。實踐-10是我國第一顆空間微重力科學(xué)實驗衛(wèi)星，其成功完成預(yù)定任務(wù)對促進(jìn)空間科學(xué)研究領(lǐng)域的科技進(jìn)步具有重大意義。近日，記者采訪了該衛(wèi)星總設(shè)計師趙會光。

記者：祝賀實踐-10衛(wèi)星回收成功，這是我國首顆專門用于空間科學(xué)實驗的返回式衛(wèi)星，請您介紹一下實踐-10衛(wèi)星的研制背景和相關(guān)情況。

總師：實踐-10是我國空間科學(xué)先導(dǎo)專項首批科學(xué)實驗衛(wèi)星中唯一一顆返回式衛(wèi)星，于“十二五”期間立項研制，該衛(wèi)星也是我國發(fā)射的第25顆返回式衛(wèi)星。該衛(wèi)星任務(wù)使命是承載19項空間微重力科學(xué)及空間生命科學(xué)項目開展在軌實驗，并攜帶回收載荷安全返回地面。該項目于2012年12月30日完成立項并啟動工程研制。衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)主要有兩項：一是研究微重力環(huán)境中物質(zhì)運動規(guī)律、重力變化對運動規(guī)律的影響（10項實驗）；二是研究空間微重力、輻射環(huán)境下生命活動和生物學(xué)過程規(guī)律（9項實驗）。19個實驗項目中，回收的11項，不回收的8項。衛(wèi)星的回收艙在軌工作12天，留軌艙安排3天留軌，完成留軌科學(xué)實驗任務(wù)，在衛(wèi)星平臺電源允許的情況下，根據(jù)實驗項目進(jìn)展適當(dāng)延長。

記者：過去，中國空間技術(shù)研究院研制發(fā)射的返回式衛(wèi)星主要承擔(dān)對地觀測、測繪和育種等任務(wù)，實踐-10衛(wèi)星的任務(wù)有什么特點？

總師：這顆衛(wèi)星確實與我們以往研制的返回式衛(wèi)星有很大的不同，概括起來有以下七大特點。

一是科學(xué)實驗項目多。共有19個實驗項目，這些實驗項目涉及到眾多硬件產(chǎn)品、軟件/現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）配置項等，不確定因素多，技術(shù)狀態(tài)變化多。

二是科學(xué)需求變化多，對衛(wèi)星平臺能力要求高。實驗載荷對衛(wèi)星平臺在熱控、微重力、供電能力、射前總裝、回收保溫等方面均提出了較為苛刻的要求，因而帶來衛(wèi)星平臺技術(shù)狀態(tài)更改大，研制難度顯著增加；產(chǎn)品設(shè)計以科學(xué)實驗為核心，含大量新研和專用的實驗裝置；載荷產(chǎn)品配套承研單位多，各單位質(zhì)量和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)又有差別。

三是產(chǎn)品來源雜，產(chǎn)品保證要求難。受制于研制經(jīng)費的約束、星上設(shè)備的基線產(chǎn)品來源較多，產(chǎn)品研制狀態(tài)極其復(fù)雜。該衛(wèi)星跨領(lǐng)域選用多個型號和衛(wèi)星平臺成熟產(chǎn)品，包括返回式衛(wèi)星、“神舟”飛船、遙感衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星、小衛(wèi)星、“嫦娥”探測器。這些產(chǎn)品獲取途徑較多，有一步正樣產(chǎn)品，也有沿用產(chǎn)品或恢復(fù)投產(chǎn)產(chǎn)品。產(chǎn)品研制狀態(tài)有繼承類、更改類、新研類、充分使用類、引進(jìn)類、復(fù)產(chǎn)類、市場采購類，特別是沿用/復(fù)產(chǎn)產(chǎn)品較多，這種情況導(dǎo)致產(chǎn)品保證要求難，在衛(wèi)星上的適應(yīng)性以及系統(tǒng)間匹配性存在較大風(fēng)險。

四是重大技術(shù)狀態(tài)變化多。與原返回式衛(wèi)星相比，該衛(wèi)星存在較多重大技術(shù)狀態(tài)的變化，這些變化涉及大系統(tǒng)方案、系統(tǒng)方案、分系統(tǒng)方案以及關(guān)鍵單機層面；還存在回收艙流體回路主動熱控、管路斷接、耐沖刷數(shù)傳天線等技術(shù)狀態(tài)，需要合理確定方案，開展專項分析和驗證；此外，也存在原返回式衛(wèi)星平臺產(chǎn)品近10年未投產(chǎn)的情況，衛(wèi)星面臨產(chǎn)品設(shè)計、工藝、保障條件恢復(fù)等眾多難題。

五是固有單點環(huán)節(jié)多，風(fēng)險管控要求高?？茖W(xué)實驗載荷研制人員既是科學(xué)家，又是工程師，工程經(jīng)驗不足，所以載荷不確定因素多，技術(shù)狀態(tài)變化多；衛(wèi)星與地面應(yīng)用等系統(tǒng)間接口復(fù)雜；需求多變、工程進(jìn)度緊、隊伍新、軟件復(fù)雜等。

六是受制于研制經(jīng)費的約束。初樣階段只安排電性星，不進(jìn)行結(jié)構(gòu)星、熱控星研制；衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計、總裝設(shè)計和熱控設(shè)計一步正樣；有效載荷正樣產(chǎn)品交付技術(shù)狀態(tài)較復(fù)雜。

七是各科學(xué)實驗項目存在差異化匹配測試、射前安裝保障、在軌實驗和回收生保等復(fù)雜的實施性要求。射前總裝操作多，比如，有8臺科學(xué)實驗載荷需要在射前8～5h分別安裝，需要衛(wèi)星系統(tǒng)協(xié)同發(fā)射場、運載、測控回收、科學(xué)應(yīng)用和支撐系統(tǒng)予以保障，并實施針對性演練和驗證。

記者：返回式衛(wèi)星是中國空間技術(shù)研究院非常成熟的型號，請您介紹一下這顆衛(wèi)星在設(shè)計和研制上有哪些亮點？

總師：本次任務(wù)是首顆專門用于空間微重力科學(xué)實驗的返回式衛(wèi)星。19項空間微重力和生命科學(xué)實驗項目對返回式衛(wèi)星平臺提出了很多新的要求，有的要求完全超越了原返回式衛(wèi)星的能力。比如，衛(wèi)星的回收艙安裝有11個實驗項目，合計功耗達(dá)300W，熱控要求溫度0～30℃，如果采取原被動熱控措施是根本無法滿足需求的，必須確定更可行的解決方案，進(jìn)行技術(shù)升級。因此，歸納來說，實踐-10針對這些新需求進(jìn)行了多方面的技術(shù)創(chuàng)新和重大改進(jìn)，主要包括以下六點。

一是首次選擇內(nèi)蒙古四子王旗作為衛(wèi)星以彈道再入方式返回再入的回收落區(qū)。這對于返回式衛(wèi)星是突破性的。不同于“神舟”飛船的彈道-升力式再入方式，彈道再入方式的落點散布由返回初始15個參數(shù)的偏差控制決定，落點散布大，一旦設(shè)計不當(dāng)，存在出國境風(fēng)險。因此，我們在系統(tǒng)設(shè)計上重點對系統(tǒng)運行軌道、離軌時刻、分離干擾減緩等進(jìn)行了全要素設(shè)計優(yōu)化，確保了落點控制精準(zhǔn)有效。

二是回收艙熱控由原來的被動熱控改為泵驅(qū)動流體回路的主動熱控，配套研制了目前最大的集熱冷板和密封艙大尺度外掛輻射器。為了匹配此重大更改，也研制了輻射器防護(hù)罩及其彈拋機構(gòu)、流體管路壓緊釋放裝置等，這些新狀態(tài)、新產(chǎn)品的研制強有力地支撐了回收艙熱控預(yù)期能力的實現(xiàn)。

三是優(yōu)化了姿控和軌控推進(jìn)系統(tǒng)配置。將原返回式衛(wèi)星的冷氣姿控推進(jìn)更改為單組元肼推進(jìn)，實現(xiàn)姿控、軌控統(tǒng)一推進(jìn)系統(tǒng)，系統(tǒng)推進(jìn)劑資源統(tǒng)籌使用。相應(yīng)選用了12臺1N推力器作為姿控執(zhí)行部件，艙外布局進(jìn)行了重新設(shè)計，降低了對微重力環(huán)境的不利影響，充分保障了微重力科學(xué)空間實驗的需求。

四是有效解決了系統(tǒng)狀態(tài)升級及復(fù)產(chǎn)問題。在系統(tǒng)設(shè)計上將原返回式衛(wèi)星遙測、遙控、程控、跟蹤等功能進(jìn)行了整合。在衛(wèi)星研制中，跨領(lǐng)域選配成熟產(chǎn)品完成了數(shù)管、測控分系統(tǒng)配套，并開展了充分的系統(tǒng)集成設(shè)計、分析和測試，系統(tǒng)匹配性風(fēng)險得到了有效控制。對返回特有產(chǎn)品進(jìn)行了狀態(tài)確認(rèn)、復(fù)產(chǎn)工藝鑒定及先期投產(chǎn)，有效掌控了復(fù)產(chǎn)質(zhì)量風(fēng)險。

五是有針對性地進(jìn)行了衛(wèi)星平臺微重力環(huán)境保障設(shè)計和微重力采集系統(tǒng)研制。通過擾動部件合理布局和隔離，以及系統(tǒng)運行軌道高度優(yōu)選，從根本上保證了實驗微重力水平要求。同時，研制了多自由度分艙微重力測量裝置，可以根據(jù)實驗需求靈活設(shè)置實施微重力采集。

六是針對型號任務(wù)和技術(shù)特點，優(yōu)化了系統(tǒng)研制模式和流程。對于有效載荷產(chǎn)品研制，有針對性地編制了元器件、部組件及單機產(chǎn)品保證辦法。根據(jù)情況裁剪了研制流程，取消了初樣整星力學(xué)試驗和熱試驗，安排了8個針對關(guān)鍵環(huán)節(jié)的專項試驗，提高了效率，控制了成本，同時，技術(shù)風(fēng)險也得到了有效控制。

記者：實踐-10研制隊伍是怎樣完成衛(wèi)星研制任務(wù)的？

總師：該衛(wèi)星雖然繼承了成熟的返回式衛(wèi)星平臺技術(shù)，但由于科學(xué)實驗任務(wù)多，科學(xué)需求變化多，技術(shù)狀態(tài)復(fù)雜，所以可以說，該衛(wèi)星是進(jìn)行大量技術(shù)創(chuàng)新而成的1顆全新的衛(wèi)星。

3年多來，研制隊伍堅決貫徹落實上級單位的有關(guān)規(guī)定要求，克服困難，狠抓落實，主要做了以下工作：一是通過技術(shù)創(chuàng)新，提高平臺的微重力水平；二是優(yōu)化設(shè)計性能，提高衛(wèi)星的可靠性，滿足用戶要求；三是深入開展風(fēng)險識別與控制，嚴(yán)格技術(shù)狀態(tài)控制，強化全過程質(zhì)量控制，努力提高衛(wèi)星的品質(zhì)；四是針對產(chǎn)品來源復(fù)雜的特點，實施差異化的管控，強化產(chǎn)品質(zhì)量管理；五是創(chuàng)新研制思路，在研制經(jīng)費不足的情況下，盡可能簡化程序，優(yōu)化研制流程。

記者：我國第一顆返回式衛(wèi)星幾乎與東方紅-1衛(wèi)星同時研制，返回式衛(wèi)星已成為我國比較成熟的應(yīng)用衛(wèi)星品牌。那么，這個品牌未來發(fā)展應(yīng)用空間如何，還可能在哪些方面進(jìn)行改進(jìn)與提升？

總師：實踐-10微重力科學(xué)實驗衛(wèi)星的成功研制、發(fā)射和回收，說明作為一種可以安全回收、適應(yīng)中短期在軌實驗、應(yīng)用靈活、成本低廉的空間科學(xué)實驗平臺，返回式衛(wèi)星平臺能力有了新的跨越，包括回收艙熱控能力、微重力服務(wù)支持能力、在軌實驗遙操作能力、承載能力、射前處置能力等都實現(xiàn)了重大改進(jìn)，應(yīng)用結(jié)果完全符合預(yù)期，所以說這是一次成功的技術(shù)創(chuàng)新升級。

作為空間科學(xué)實驗平臺，返回式衛(wèi)星具有一些獨特優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在：無人值守，具有更好的微重力水平，無整流罩發(fā)射適應(yīng)射前操作能力好，在軌遙操作靈活便捷，可提供適時安全返回及留軌繼續(xù)實驗?zāi)芰?，系統(tǒng)規(guī)模適度工程代價低等。未來，將面向更低成本、更強服務(wù)能力、更高效研制模式等，進(jìn)行跨越式創(chuàng)新升級，打造新一代可重復(fù)使用返回式衛(wèi)星，主要考慮如下：

一是構(gòu)造大返回、小留軌方案。未來的衛(wèi)星平臺和有效載荷具有整體返回和近無損回收能力，通過產(chǎn)品可復(fù)用設(shè)計，提升平臺經(jīng)濟性。保有小留軌艙，用以支持中長期在軌實驗，具備豐富應(yīng)用的靈活性。

二是增強承載及綜合服務(wù)能力。未來的單次任務(wù)支持可回收實驗載荷的承載能力將增加1倍以上，為此考慮選擇雙艙組合體構(gòu)型，合理開設(shè)操作窗口，提供操作便利性。設(shè)置可展收暴露艙，專門用于空間輻射探測或輻射效應(yīng)實驗。

三是提升微重力環(huán)境保障與測量能力。今后可對擾動部件或產(chǎn)品進(jìn)行精細(xì)化布局隔離，同時優(yōu)化系統(tǒng)運行軌道高度，兼顧軌道部署成本，對微重力環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)保障性設(shè)計，同時平臺系統(tǒng)全程按需提供微重力環(huán)境高精度測量，支持基于微重力數(shù)據(jù)的在軌遙操作。

此外，未來的返回式衛(wèi)星平臺能源供給將考慮在軌可補給方案，確保能源充足。它能適應(yīng)短期或長期不同需求在軌實驗任務(wù)，提供可靈活選配、模塊化的電源方案，例如，高比能化學(xué)電池模塊、太陽電池陣-蓄電池模塊等。衛(wèi)星平臺熱控將以主動熱控為主、被動為輔，形成具有較寬泛外熱流及內(nèi)功耗適應(yīng)能力的健壯熱控。衛(wèi)星平臺數(shù)據(jù)服務(wù)及遙操作接口將進(jìn)一步面向多次應(yīng)用的規(guī)范接口和快速集成，在軌應(yīng)用體驗進(jìn)行定制?；厥占爸С炙阉髂芰⑦M(jìn)一步提高，為實現(xiàn)多次可重復(fù)使用，回收系統(tǒng)必須能夠提供近無損安全可靠回收，傘系將進(jìn)行增強減速能力，同時增強回收標(biāo)位和通信能力。防熱結(jié)構(gòu)將進(jìn)行可維護(hù)性設(shè)計，支持維護(hù)后多次重復(fù)使用。

祁首冰/本文編輯

Interview with Zhao Huiguang， Chief Designer of SJ-10 Satellite