空間應(yīng)用系統(tǒng)天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器和神舟八號(hào)飛船交會(huì)對(duì)接任務(wù)*

文/中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心（籌）北京100094

2011年9月和11月我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心先后發(fā)射了天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器和神舟八號(hào)飛船，成功實(shí)施了我國載人航天工程交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)，在此次交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)中，中科院承擔(dān)的空間應(yīng)用系統(tǒng)主要任務(wù)包括：

（1）利用天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器以及神舟八號(hào)飛船的空間實(shí)驗(yàn)支持能力開展相關(guān)科學(xué)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用研究；

（2）為我國載人航天工程首次交會(huì)對(duì)接任務(wù)提供空間環(huán)境安全保障。

1 天宮一號(hào)應(yīng)用任務(wù)

天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器上，空間應(yīng)用系統(tǒng)的應(yīng)用任務(wù)如下：

（1）地球環(huán)境監(jiān)測(cè)。以當(dāng)前世界各國廣泛關(guān)注的全球環(huán)境問題為重點(diǎn)，利用兼具高光譜和高空間分辨率的高光譜成像儀進(jìn)行地球環(huán)境監(jiān)測(cè)，獲取環(huán)境變化的多維度、綜合信息，開展環(huán)境變化要素和影響的分析、評(píng)估研究。

（2）空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)。在空間材料科學(xué)領(lǐng)域，瞄準(zhǔn)當(dāng)前國際上凝聚態(tài)物理和應(yīng)用研究的熱點(diǎn)，開展復(fù)合膠體晶體生長實(shí)驗(yàn)。

（3）空間環(huán)境探測(cè)。基于載人航天工程將越來越需要長期的，更寬業(yè)務(wù)范圍的空間環(huán)境安全保障支持，進(jìn)行空間環(huán)境探測(cè)及電離層擾動(dòng)綜合探測(cè)試驗(yàn)。

為支持上述任務(wù)的空間試驗(yàn)，空間應(yīng)用系統(tǒng)全新研制了第二代在軌支持技術(shù)信息管理與能源管理系統(tǒng)參加飛行試驗(yàn)，有效載荷應(yīng)用中心承擔(dān)此次飛行應(yīng)用試驗(yàn)任務(wù)在軌測(cè)試和運(yùn)行管理。

天宮一號(hào)裝載空間應(yīng)用系統(tǒng)有效載荷設(shè)備23件，設(shè)備均為全新研制，并且首次參加空間飛行試驗(yàn)。

1.1 地球環(huán)境監(jiān)測(cè)

天宮一號(hào)在軌飛行階段，利用我國光譜和空間分辨率綜合指標(biāo)最高的空間高光譜成像儀開展空間對(duì)地遙感探測(cè)應(yīng)用試驗(yàn)，重點(diǎn)是對(duì)中國本土為主的地球環(huán)境態(tài)勢(shì)進(jìn)行分析，做出應(yīng)用效果的試驗(yàn)評(píng)估。通過地面信息處理，可以獲取較長時(shí)間有重要價(jià)值的綜合遙感信息，這對(duì)全面普查我國廣闊領(lǐng)土和海洋經(jīng)濟(jì)所屬區(qū)的環(huán)境變化、掌握其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，提出應(yīng)對(duì)措施具有重大社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

高光譜成像是當(dāng)今世界航天遙感應(yīng)用的熱點(diǎn)和前沿技術(shù)，高光譜成像實(shí)現(xiàn)了寬譜段、多波段、精細(xì)光譜成像，綜合指標(biāo)領(lǐng)先。利用其可開展地質(zhì)調(diào)查、資源勘查、土地荒漠化評(píng)估、水文生態(tài)監(jiān)測(cè)以及環(huán)境污染成分和污染源頭的監(jiān)測(cè)分析。這對(duì)于我國西部地區(qū)、青藏高原脆弱生態(tài)環(huán)境的因果研究，科學(xué)發(fā)展中部地區(qū)的規(guī)劃研究，東部沿海地區(qū)環(huán)境污染的抑制和治理研究，都具有非常急迫和重大戰(zhàn)略意義，這也是貫徹科學(xué)發(fā)展觀、科技治國理念的重要措施。

1.2 天宮一號(hào)空間復(fù)合膠體晶體生長實(shí)驗(yàn)

膠體晶體是指由亞微米級(jí)或納米級(jí)膠體顆粒經(jīng)過特定排列方式構(gòu)成的類似于晶體結(jié)構(gòu)的有序體系。膠體晶體結(jié)構(gòu)具有類似于原子晶體的有序結(jié)構(gòu)，且其空間尺度和相變時(shí)間尺度都比原子晶體大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，是研究晶體相變規(guī)律的理想模擬體系之一。

（1）實(shí)驗(yàn)任務(wù)。天宮一號(hào)的空間復(fù)合膠體晶體生長實(shí)驗(yàn)，是在國際上首次使用Kossel線衍射方法，利用空間微重力環(huán)境條件，研究三種不同分散體系的帶電膠體晶體的相變動(dòng)力學(xué)過程，通過長期的空間實(shí)驗(yàn)，獲得完整的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)變化過程中的圖像結(jié)果，研究膠體晶體隨溫度與電場(chǎng)變化的“結(jié)晶”與“彌散”過程。

（2）實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹Ｌ剿髌浣Y(jié)晶過程的本質(zhì)特征，研究晶體相變規(guī)律和重力對(duì)結(jié)晶過程與結(jié)晶結(jié)構(gòu)的影響作用。力爭取得具有國際先進(jìn)水平的研究成果，為拓展由膠體晶體制備光子晶體，促進(jìn)光子器件的發(fā)展，開發(fā)在微波通訊、濾波技術(shù)等方面的應(yīng)用潛力，積淀理論認(rèn)識(shí)和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

（3）實(shí)驗(yàn)意義。這是我國首次開展的以“遙影像”方式，直接獲取科學(xué)實(shí)驗(yàn)信息、數(shù)據(jù)，開展空間材料科學(xué)基礎(chǔ)研究的全新嘗試，以一種創(chuàng)新思維和實(shí)驗(yàn)方法，打破了樣品回收的傳統(tǒng)研究模式。利用具有遙控功能的Kossel線成像系統(tǒng)，通過遙控切換，獲取三種不同體系膠體晶體的衍射圖像和形態(tài)圖像也是國際上的首例。實(shí)時(shí)全程記錄膠體晶體Kossel線的相變過程，提供科學(xué)家進(jìn)行在線分析研究，減少了回收過程對(duì)實(shí)驗(yàn)條件的干擾，有望能夠取得更加精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（4）實(shí)驗(yàn)裝置。復(fù)合膠體晶體生長實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)安裝3個(gè)實(shí)驗(yàn)腔，每個(gè)腔內(nèi)分別加載膠體顆粒溶液，控制環(huán)境溫度穩(wěn)定。由于膠體顆粒表面帶有負(fù)電荷，顆粒之間的靜電排斥力與顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)達(dá)到一種平衡狀態(tài)，會(huì)形成類似于晶體結(jié)構(gòu)的長程有序結(jié)構(gòu)。裝置采用兩臺(tái)CCD照相設(shè)備，分別獲取Kossel線衍射圖案和晶體形貌圖像，由應(yīng)用信息管理系統(tǒng)組織實(shí)驗(yàn)科學(xué)數(shù)據(jù)、圖像和工程參數(shù)實(shí)時(shí)下行。通過衍射圖像可以研究其結(jié)晶過程的點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)、層錯(cuò)以及孿晶晶界等生長缺陷。晶體形態(tài)圖像為解釋Kossel線圖案，提供了更多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)依據(jù)。

1.3 空間環(huán)境探測(cè)及電離層擾動(dòng)綜合探測(cè)器

以多傳感器綜合探測(cè)的創(chuàng)新思想，兼顧發(fā)展利用GPS在軌探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)電離層等離子體不均勻結(jié)構(gòu)特征技術(shù)；空間飛行器對(duì)地面和對(duì)中繼衛(wèi)星通訊的電波環(huán)境探測(cè)技術(shù)；基于掩星探測(cè)模式的中性大氣參數(shù)（氣壓、溫度、濕度、密度等）和電離層電子密度分布探測(cè)技術(shù)等。

（1）空間環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)。包括：艙外各個(gè)方向的電子、質(zhì)子等粒子的強(qiáng)度和能譜；大氣密度、成分及其時(shí)空分布變化；原子氧剝蝕及氣體污染效應(yīng)。

（2）空間電離層擾動(dòng)探測(cè)。包括：電離層閃爍引起的信號(hào)幅度、相位等信息；電子濃度總含量抖動(dòng)信息；GPS掩星電離層電子濃度剖面；電離層閃爍引起的信號(hào)幅度、相位、電子濃度總含量抖動(dòng)等信息。

由帶電粒子輻射探測(cè)器、軌道大氣環(huán)境探測(cè)器、電離層擾動(dòng)探測(cè)器以及空間環(huán)境控制單元4件裝置組成探測(cè)系統(tǒng)。3臺(tái)探測(cè)器可以獨(dú)立工作，也可以組合探測(cè)，由控制單元統(tǒng)一管理。探測(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)備工程參數(shù)由應(yīng)用信息管理系統(tǒng)組織統(tǒng)一運(yùn)行。

2 神舟八號(hào)應(yīng)用任務(wù)

2011年11月1日5時(shí)58分，神舟八號(hào)飛船在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定軌道?？臻g應(yīng)用系統(tǒng)利用神舟八號(hào)飛船返回艙資源開展了中德合作空間生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)。這是我國載人航天工程在空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域首次開展國際合作。它展示了中國載人航天工程以更加開放姿態(tài)面向世界，為世界了解中國載人航天事業(yè)，提供了交流窗口；為開展更廣泛的國際間合作，提供了組織管理經(jīng)驗(yàn)。為中國科學(xué)家創(chuàng)造了在國際同等水平上，開展空間特殊環(huán)境的生物學(xué)基礎(chǔ)研究，共同為人類拓殖太空、開發(fā)利用太空資源服務(wù)于人類生活與健康的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題的突破做出貢獻(xiàn)。

2.1 空間生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)

此次試驗(yàn)涉及基礎(chǔ)空間生物學(xué)、空間生物技術(shù)、先進(jìn)生命支持系統(tǒng)中的基礎(chǔ)生物學(xué)以及空間輻射生物學(xué)等科學(xué)問題的研究，共安排科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目17項(xiàng)（項(xiàng)目及其承研單位見表1），其中中方10項(xiàng)，德方6項(xiàng)，中德合作1項(xiàng)?；A(chǔ)生物學(xué)以深化認(rèn)知生物現(xiàn)象和生命過程為目標(biāo)，開展蛋白質(zhì)基因組學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、代謝生物學(xué)等研究?？臻g生物技術(shù)研究，以服務(wù)人類健康、探索疑難疾病診斷、治療的新方法和新藥物為目的，開展生物大分子及蛋白質(zhì)空間晶體生長實(shí)驗(yàn)，發(fā)展先進(jìn)生物工程技術(shù)。先進(jìn)生命支持系統(tǒng)中的生物學(xué)研究是為研發(fā)保障人類長期駐留太空的“先進(jìn)密閉受控生態(tài)生命支持系統(tǒng)（CELSS）”提供理論依據(jù)和積累技術(shù)。空間輻射生物學(xué)的研究目的是深化認(rèn)知空間輻射與微重力綜合生物學(xué)效應(yīng)，為太空生命安全保障設(shè)計(jì)提供理論和技術(shù)依據(jù)。

表1 空間應(yīng)用系統(tǒng)SZ-8任務(wù)中德科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)一覽表

圖1 通用生物培養(yǎng)箱

圖2 通用生物培養(yǎng)箱控制

2.2 試驗(yàn)裝置

為了滿足以上科學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求，研制相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，包括各類實(shí)驗(yàn)專用單元、通用生物培養(yǎng)箱、通用生物電控箱和有效載荷控制裝置。

通用生物培養(yǎng)箱由德國阿斯特里姆（EADS Astrium Space Transportation）公司為主承包商研制，是用于在空間特殊環(huán)境條件下，研究各類生物對(duì)象的生物學(xué)響應(yīng)的通用實(shí)驗(yàn)裝置。裝置按國際空間站標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)和制造。裝置具有很強(qiáng)的通用性，實(shí)驗(yàn)容器40個(gè)；有1g模擬重力水平對(duì)照功能；提供溫度、光照等生保條件；可對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行生物學(xué)固定；每個(gè)實(shí)驗(yàn)容器均可靈活地獨(dú)立配置功能，也可以進(jìn)行多組合實(shí)驗(yàn)研究。

為了與我國神舟飛船實(shí)現(xiàn)機(jī)電熱的接口匹配，中方開發(fā)研制了與德方實(shí)驗(yàn)裝置接口的電控設(shè)備2件（圖1、圖2），保障德方通用生物培養(yǎng)箱與平臺(tái)接口的兼容。

3 應(yīng)用任務(wù)地面技術(shù)支持系統(tǒng)

3.1 有效載荷應(yīng)用中心

有效載荷應(yīng)用中心為天宮一號(hào)、神舟八號(hào)有效載荷在軌運(yùn)行，提供有效載荷運(yùn)行控制管理，為試驗(yàn)應(yīng)用研究提供用戶服務(wù)。主要任務(wù)如下：

（1）制定有效載荷運(yùn)控計(jì)劃，實(shí)施天宮一號(hào)、神舟八號(hào)有效載荷運(yùn)行管理控制，組織在軌測(cè)試及各項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行監(jiān)控和管理；

（2）有效載荷科學(xué)數(shù)據(jù)、工程參數(shù)的接收、處理、存儲(chǔ)和分發(fā)；

（3）為用戶提供在線數(shù)據(jù)服務(wù)，提供資料檢索和應(yīng)用服務(wù)；

（4）為有效載荷提供星歷和軌道預(yù)報(bào)服務(wù)；

（5）應(yīng)用系統(tǒng)有效載荷在軌運(yùn)行故障的分析于處理。

3.2 空間環(huán)境預(yù)報(bào)中心

空間環(huán)境預(yù)報(bào)中心在天宮一號(hào)、神舟八號(hào)任務(wù)實(shí)施各階段發(fā)布遠(yuǎn)期、中期和近期預(yù)報(bào)，包括太陽活動(dòng)預(yù)報(bào)、地磁指數(shù)預(yù)報(bào)、空間環(huán)境參數(shù)預(yù)報(bào)和空間環(huán)境效應(yīng)預(yù)測(cè)等；在飛行任務(wù)期間，如果出現(xiàn)異常環(huán)境事件，發(fā)出現(xiàn)報(bào)和警報(bào)，提出相關(guān)應(yīng)對(duì)措施建議；在空間有效載荷或平臺(tái)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，提供空間環(huán)境狀態(tài)參數(shù)，協(xié)助進(jìn)行故障分析，并提出環(huán)境效應(yīng)評(píng)估。