科学实验当先锋—访实践-10卫星总设计师赵会光

本刊特约记者 庞丹 潘晨



科学实验当先锋
—访实践-10卫星总设计师赵会光

本刊特约记者 庞丹 潘晨

2016年4月18日，实践-10回收舱成功在内蒙古四子王旗回收。实践-10是我国第一颗空间微重力科学实验卫星，其成功完成预定任务对促进空间科学研究领域的科技进步具有重大意义。近日，记者采访了该卫星总设计师赵会光。

记者：祝贺实践-10卫星回收成功，这是我国首颗专门用于空间科学实验的返回式卫星，请您介绍一下实践-10卫星的研制背景和相关情况。

总师：实践-10是我国空间科学先导专项首批科学实验卫星中唯一一颗返回式卫星，于“十二五”期间立项研制，该卫星也是我国发射的第25颗返回式卫星。该卫星任务使命是承载19项空间微重力科学及空间生命科学项目开展在轨实验，并携带回收载荷安全返回地面。该项目于2012年12月30日完成立项并启动工程研制。卫星的科学目标主要有两项：一是研究微重力环境中物质运动规律、重力变化对运动规律的影响（10项实验）；二是研究空间微重力、辐射环境下生命活动和生物学过程规律（9项实验）。19个实验项目中，回收的11项，不回收的8项。卫星的回收舱在轨工作12天，留轨舱安排3天留轨，完成留轨科学实验任务，在卫星平台电源允许的情况下，根据实验项目进展适当延长。

记者：过去，中国空间技术研究院研制发射的返回式卫星主要承担对地观测、测绘和育种等任务，实践-10卫星的任务有什么特点？

总师：这颗卫星确实与我们以往研制的返回式卫星有很大的不同，概括起来有以下七大特点。

一是科学实验项目多。共有19个实验项目，这些实验项目涉及到众多硬件产品、软件/现场可编程门阵列（FPGA）配置项等，不确定因素多，技术状态变化多。

二是科学需求变化多，对卫星平台能力要求高。实验载荷对卫星平台在热控、微重力、供电能力、射前总装、回收保温等方面均提出了较为苛刻的要求，因而带来卫星平台技术状态更改大，研制难度显著增加；产品设计以科学实验为核心，含大量新研和专用的实验装置；载荷产品配套承研单位多，各单位质量和技术标准又有差别。

三是产品来源杂，产品保证要求难。受制于研制经费的约束、星上设备的基线产品来源较多，产品研制状态极其复杂。该卫星跨领域选用多个型号和卫星平台成熟产品，包括返回式卫星、“神舟”飞船、遥感卫星、导航卫星、小卫星、“嫦娥”探测器。这些产品获取途径较多，有一步正样产品，也有沿用产品或恢复投产产品。产品研制状态有继承类、更改类、新研类、充分使用类、引进类、复产类、市场采购类，特别是沿用/复产产品较多，这种情况导致产品保证要求难，在卫星上的适应性以及系统间匹配性存在较大风险。

四是重大技术状态变化多。与原返回式卫星相比，该卫星存在较多重大技术状态的变化，这些变化涉及大系统方案、系统方案、分系统方案以及关键单机层面；还存在回收舱流体回路主动热控、管路断接、耐冲刷数传天线等技术状态，需要合理确定方案，开展专项分析和验证；此外，也存在原返回式卫星平台产品近10年未投产的情况，卫星面临产品设计、工艺、保障条件恢复等众多难题。

五是固有单点环节多，风险管控要求高。科学实验载荷研制人员既是科学家，又是工程师，工程经验不足，所以载荷不确定因素多，技术状态变化多；卫星与地面应用等系统间接口复杂；需求多变、工程进度紧、队伍新、软件复杂等。

六是受制于研制经费的约束。初样阶段只安排电性星，不进行结构星、热控星研制；卫星结构设计、总装设计和热控设计一步正样；有效载荷正样产品交付技术状态较复杂。

七是各科学实验项目存在差异化匹配测试、射前安装保障、在轨实验和回收生保等复杂的实施性要求。射前总装操作多，比如，有8台科学实验载荷需要在射前8～5h分别安装，需要卫星系统协同发射场、运载、测控回收、科学应用和支撑系统予以保障，并实施针对性演练和验证。

记者：返回式卫星是中国空间技术研究院非常成熟的型号，请您介绍一下这颗卫星在设计和研制上有哪些亮点？

总师：本次任务是首颗专门用于空间微重力科学实验的返回式卫星。19项空间微重力和生命科学实验项目对返回式卫星平台提出了很多新的要求，有的要求完全超越了原返回式卫星的能力。比如，卫星的回收舱安装有11个实验项目，合计功耗达300W，热控要求温度0～30℃，如果采取原被动热控措施是根本无法满足需求的，必须确定更可行的解决方案，进行技术升级。因此，归纳来说，实践-10针对这些新需求进行了多方面的技术创新和重大改进，主要包括以下六点。

一是首次选择内蒙古四子王旗作为卫星以弹道再入方式返回再入的回收落区。这对于返回式卫星是突破性的。不同于“神舟”飞船的弹道-升力式再入方式，弹道再入方式的落点散布由返回初始15个参数的偏差控制决定，落点散布大，一旦设计不当，存在出国境风险。因此，我们在系统设计上重点对系统运行轨道、离轨时刻、分离干扰减缓等进行了全要素设计优化，确保了落点控制精准有效。

二是回收舱热控由原来的被动热控改为泵驱动流体回路的主动热控，配套研制了目前最大的集热冷板和密封舱大尺度外挂辐射器。为了匹配此重大更改，也研制了辐射器防护罩及其弹抛机构、流体管路压紧释放装置等，这些新状态、新产品的研制强有力地支撑了回收舱热控预期能力的实现。

三是优化了姿控和轨控推进系统配置。将原返回式卫星的冷气姿控推进更改为单组元肼推进，实现姿控、轨控统一推进系统，系统推进剂资源统筹使用。相应选用了12台1N推力器作为姿控执行部件，舱外布局进行了重新设计，降低了对微重力环境的不利影响，充分保障了微重力科学空间实验的需求。

四是有效解决了系统状态升级及复产问题。在系统设计上将原返回式卫星遥测、遥控、程控、跟踪等功能进行了整合。在卫星研制中，跨领域选配成熟产品完成了数管、测控分系统配套，并开展了充分的系统集成设计、分析和测试，系统匹配性风险得到了有效控制。对返回特有产品进行了状态确认、复产工艺鉴定及先期投产，有效掌控了复产质量风险。

五是有针对性地进行了卫星平台微重力环境保障设计和微重力采集系统研制。通过扰动部件合理布局和隔离，以及系统运行轨道高度优选，从根本上保证了实验微重力水平要求。同时，研制了多自由度分舱微重力测量装置，可以根据实验需求灵活设置实施微重力采集。

六是针对型号任务和技术特点，优化了系统研制模式和流程。对于有效载荷产品研制，有针对性地编制了元器件、部组件及单机产品保证办法。根据情况裁剪了研制流程，取消了初样整星力学试验和热试验，安排了8个针对关键环节的专项试验，提高了效率，控制了成本，同时，技术风险也得到了有效控制。

记者：实践-10研制队伍是怎样完成卫星研制任务的？

总师：该卫星虽然继承了成熟的返回式卫星平台技术，但由于科学实验任务多，科学需求变化多，技术状态复杂，所以可以说，该卫星是进行大量技术创新而成的1颗全新的卫星。

3年多来，研制队伍坚决贯彻落实上级单位的有关规定要求，克服困难，狠抓落实，主要做了以下工作：一是通过技术创新，提高平台的微重力水平；二是优化设计性能，提高卫星的可靠性，满足用户要求；三是深入开展风险识别与控制，严格技术状态控制，强化全过程质量控制，努力提高卫星的品质；四是针对产品来源复杂的特点，实施差异化的管控，强化产品质量管理；五是创新研制思路，在研制经费不足的情况下，尽可能简化程序，优化研制流程。

记者：我国第一颗返回式卫星几乎与东方红-1卫星同时研制，返回式卫星已成为我国比较成熟的应用卫星品牌。那么，这个品牌未来发展应用空间如何，还可能在哪些方面进行改进与提升？

总师：实践-10微重力科学实验卫星的成功研制、发射和回收，说明作为一种可以安全回收、适应中短期在轨实验、应用灵活、成本低廉的空间科学实验平台，返回式卫星平台能力有了新的跨越，包括回收舱热控能力、微重力服务支持能力、在轨实验遥操作能力、承载能力、射前处置能力等都实现了重大改进，应用结果完全符合预期，所以说这是一次成功的技术创新升级。

作为空间科学实验平台，返回式卫星具有一些独特优势，主要体现在：无人值守，具有更好的微重力水平，无整流罩发射适应射前操作能力好，在轨遥操作灵活便捷，可提供适时安全返回及留轨继续实验能力，系统规模适度工程代价低等。未来，将面向更低成本、更强服务能力、更高效研制模式等，进行跨越式创新升级，打造新一代可重复使用返回式卫星，主要考虑如下：

一是构造大返回、小留轨方案。未来的卫星平台和有效载荷具有整体返回和近无损回收能力，通过产品可复用设计，提升平台经济性。保有小留轨舱，用以支持中长期在轨实验，具备丰富应用的灵活性。

二是增强承载及综合服务能力。未来的单次任务支持可回收实验载荷的承载能力将增加1倍以上，为此考虑选择双舱组合体构型，合理开设操作窗口，提供操作便利性。设置可展收暴露舱，专门用于空间辐射探测或辐射效应实验。

三是提升微重力环境保障与测量能力。今后可对扰动部件或产品进行精细化布局隔离，同时优化系统运行轨道高度，兼顾轨道部署成本，对微重力环境进行系统保障性设计，同时平台系统全程按需提供微重力环境高精度测量，支持基于微重力数据的在轨遥操作。

此外，未来的返回式卫星平台能源供给将考虑在轨可补给方案，确保能源充足。它能适应短期或长期不同需求在轨实验任务，提供可灵活选配、模块化的电源方案，例如，高比能化学电池模块、太阳电池阵-蓄电池模块等。卫星平台热控将以主动热控为主、被动为辅，形成具有较宽泛外热流及内功耗适应能力的健壮热控。卫星平台数据服务及遥操作接口将进一步面向多次应用的规范接口和快速集成，在轨应用体验进行定制。回收及支持搜索能力将进一步提高，为实现多次可重复使用，回收系统必须能够提供近无损安全可靠回收，伞系将进行增强减速能力，同时增强回收标位和通信能力。防热结构将进行可维护性设计，支持维护后多次重复使用。

祁首冰/本文编辑

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