空间实验ABC

　　《环球》杂志记者/孙彦新徐壮志

　　中国载人航天发射密度较低，能够为空间科学实验提供的平台资源有限，因此神舟飞船每次飞行，对研究空间科学的科学家都弥足珍贵。最让科学家们挠头的是，想上天的项目太多，究竟上哪个，实在难以取舍。最后，只能是让那些国家急需又是国际前沿的项目入选。

　　在这次神舟七号的太空飞行中，将主要进行两项空间科学实验：一是释放伴飞小卫星，二是固体润滑材料外太空暴露试验。

　　伴飞小卫星实验

　　A.什么是伴飞小卫星？

　　小卫星伴随大型航天器飞行是一种具有创新意义的航天高技术，也是各航天大国争相发展的前沿技术，利用伴星的相对近距离绕飞能力，可以对空间站、飞船等大型主航天器工作状态进行监视，诊断主航天器外部故障；在航天器交会对接、航天员出舱活动时，可以提供舱外现场监视、航天员安全监视、空间环境突发事件监测；单颗或多颗组网的伴随卫星还可以对空间碎片、流星体等对主航天器构成威胁物体，进行长期观测、跟踪、预报、预警等，以保障主航天器安全。

　　神舟七号飞船是中国首次开展航天器平台在轨释放伴星，以及伴星的伴随飞行试验，其任务目标是：试验和验证伴星在轨释放技术；伴星释放后，对飞船进行照相和视频观测；在返回舱返回后，由地面测控系统控制，择机进行对轨道舱形成伴随飞行轨道的试验，为载人航天工程后续任务中拓展空间应用领域，奠定技术基础。

　　伴飞小卫星由中科院上海卫星工程中心研制，采用了两舱结构一体化设计，用轻型镁合金材料作为主结构框架，整星重量不超过40公斤，卫星具有光学成像、大容量压缩存储、机动变轨、伴随飞行、自主导航、多模式指向、测控数传等多种功能。

　　B.小卫星如何实现伴随飞行？

　　神舟七号飞船飞行至预定圈时实施伴星释放，小卫星释放后多天多次变轨，逐步逼近，最终形成围绕轨道舱的绕飞。当航天员结束太空行走回到舱内后，启动伴星释放装置，包带解锁，伴星由弹簧机构准确送入既定相对轨道，开始第一阶段定向观测任务。

　　然后，利用太阳方向和地磁信息，伴星实时解算目标方位，并控制相机对飞船定向，首先进行彩色视频观测。然后，伴星自主切换成像模式，40度宽视场相机每3秒获得一幅飞船静态图像，经高效压缩后存储。

　　随后，伴星逐渐远离飞船，切换到9度窄视场相机，继续从多角度多方位获取飞船在轨运行图像。当预定时间的观测任务完成后，伴星从对飞船定向转为对地定向，在测控站上空将存储图像下传地面。

　　航天员返回后，轨道舱仍然在轨飞行，此时，伴星飞行在其后方数百公里的共面轨道上。地面测控网通过测距测速确定伴星运行轨道，轨道舱与伴星的轨道数据统一汇集到北京航天飞行控制中心，经过运算分析，生成变轨参数，上传到伴星。

　　根据收到的参数，伴星自主调整变轨姿态，在预定时刻实施轨道机动，经过远距离接近，近距离逼近，兼顾控制飘移轨迹形状，伴星逐步接近轨道舱，达到对轨道舱的伴随飞行目标。

　　最终通过对轨道参数的精确调整，伴星形成并保持对轨道舱的同轨道面椭圆绕飞。站在地面上看，伴星和轨道舱各自沿着自己的轨道运行，由于轨道不同，所以站在轨道舱上看，伴星忽而在前，忽而在后，忽而在上，忽而在下，就像是绕着轨道舱飞行一样。

　　当伴星成功完成伴飞技术试验后，转入长期管理阶段。在3个月留轨寿命期内，由中国航天测控网国内陆上站和北京中心对伴星进行测轨跟踪、遥测、遥控、数据注入等工作，并根据轨道衰减和伴星剩余推进剂的情况合理考虑进行轨道维持。

　　C.伴飞小卫星有什么功能？

　　首先，小卫星可以成为为大型航天器保驾护航的重要工具。利用伴星的相对近距离绕飞能力，可以对空间站、飞船等大型主航天器工作状态进行监视，诊断主航天器外部故障；在航天器交会对接、航天员出舱活动时，可以提供舱外现场监视、航天员安全监视、空间环境突发事件监测；单颗或多颗组网的伴随卫星还可以对空间碎片、流星体等对主航天器构成威胁的物体，进行长期观测、跟踪、预报、预警等，以保障主航天器安全。

　　其次，由于伴随卫星结构小、总量轻、成本低、研制周期短，在轨二次释放，不需要花费发射成本，容易实现在运行的主航天器上发射，因此，伴星是一种经济实惠的试验手段，能探索新的航天器发射模式。

　　另外，微小卫星还可以组网运行，具有较强的机动、灵活性，在对地观测应用领域具有优势。如果释放多颗伴星组网，可以实现多星协同工作，完成一颗卫星单独无法实施的应用任务，提高卫星应用效率，例如长基线精确的对地观测，多星联合的三维立体测绘，空间环境参数的立体监测、地球环境的综合探测等。

　　此外，利用在轨释放技术来实现小卫星组网、编队飞行，可以实现全球无盲区的地面通讯、广播和导航定位等。最后，某些新的空间科学与技术实验，往往在一个平台上无法完成，提出了需要多实验平台支持的要求，采用二次释放伴随卫星可为这类研究方便地搭建实验条件。

　　固体润滑材料外太空暴露试验

　　A.首次太空行走为何定为取固体润滑材料？

　　神舟七号航天员能够出舱活动并开展工作，利用这一点可进行的科学项目着实不少，科学家们一口气提出了10多个设想。其中的一个就是固体润滑材料外太空暴露试验。

　　航天器的转动机构所使用的润滑材料，不同于地面上的任何一种润滑油。液体润滑材料在太空真空环境中会汽化得无影无踪，因此，航天润滑剂都是固体的，电镀和沉积到航天器转动机构表面，起到润滑作用，比较常用的有二硫化钼等。人们已经知道，固体润滑材料的性能，受太空原子氧和紫外辐射的影响较大，如果性能下降，就会引发航天器转动机构故障，进而引发航天器失效。固体润滑材料的性能已经成为影响航天器寿命的主要因素之一。

　　试验样品经航天员取回并带回地面，可以获得外太空环境对材料影响机理的原始数据。经过论证，这个项目的优势显现出来：国家建设确实急需，便于航天员操作，美欧也在开展这项研究，在国际上尚属前沿。

　　B.开展固体润滑材料试验有什么意义？

　　中国科学院兰州化学物理研究所承担了这一项目的研制工作。试验样品上共装了4大类11种材料，另外还装了4种太阳能电池机底薄膜材料，正反面共80片。这些材料有的已在航天器上使用，有的从未使用，性能尚不清楚。飞船发射前，样品装在飞船舱壁上，航天员出舱取回时，共在外太空暴露40小时以上。国外经验表明，暴露40小时以上即可获得试验效果。

　　这次试验还能起到另外一个作用，通过天上的试验，获得基准数字，对地面在什么模拟条件下能获得跟外太空一样的效果提供基准，从而指导地面模拟试验。如此一来，今后的固体润滑材料研究就会以前所未有的加速度发展。

　　C.如何防止意外情况发生？

　　飞船发射时固体润滑材料试验样品台会不会意外脱落？航天员太空行走时会不会取不下来？试验材料会不会对航天员安全造成威胁？

　　空间应用系统副总设计师赵光恒告诉记者，科研人员采取5大措施确保样品台安全可靠。

　　设计制造样品台，在地面这是一项简单的工作。但在太空特别是载人航天活动中，每一个环节都充满风险。中科院光电研究院和兰州化学物理研究所进行了一系列技术攻关，进行了数千次地面模拟试验，创新性地设计并研制了同时具备锁紧及解锁功能的装置，通过可靠性验证试验考核表明，可靠度达到99.65%以上。

　　首先，科学家对试验样品及其空间试验过程中可能形成的反应产物逐一进行了研究分析，确保不产生威胁航天员健康的任何物质。在样品台把手材料选取上，采用非金属材料，通过查阅大量文献和试验验证，掌握了舱外环境下非金属材料的挥发性、表面侵蚀、力学性能，最终选定空间性能稳定、无有害挥发物的尼龙材料。

　　其次，航天员在空间须用一只手固定身体，另一只手单手操作完成装置解锁，并且带着厚厚的充压手套。因此操作方式避免了复杂的手部动作，同时有效防止装置脱手。经过深入设计和综合比较，最终确定了由“拨”、“拉”、“压”、“提 ”四个动作组成的解锁操作。试验装置在空间只需进行一次解锁操作，但为了确保这一次的成功，设计人员在地面进行了20 00多次的解锁试验。

　　第三，操作力须限定在一个区间力，过大则航天员无法操作，过小则航天员没有手感，通过精确控制摩擦面的弹性变形量，最终将解锁操作力严格控制在所要求的范围内。

　　第四，装置外表没有棱边、无锐角，无过高的凸起物，避免了划伤舱外服或者拉挂舱外服表面线缆。

　　第五，通过结构自锁和机械锁紧集成的模式保证试验样品台可靠地被固定于飞船舱外，具备在解锁过程中机械锁紧装置被打开后样品台仍可固定于样品台底座的功能。