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松鼠的空天随笔

 
 
 

日志

 
 

浅析日本H-IIA F17的探测器  

2010-05-21 09:46:37|  分类: Space |  标签: |举报 |字号 订阅

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浅析日本H-IIA F17的探测器 - squirrel - 松鼠的空天随笔
 拂晓探测器的Logo
      由于受到518日种子岛恶劣其气候影响,H-IIA F17发射延后,直到521日进行了成功发射。日本当地时间上午6:58:22 H-IIA F17发射,火箭发射后飞行顺利,1135秒后分离预定在地球轨道的三颗微型卫星,2729秒后拂晓/AKATSUKI/PLANET-C探 测器成功 分离,此后再过18分钟后史上第一面太阳帆Ikaros分 离,又过5分钟最后一个载荷UNITEC-1分 离。H-IIA F17发射的载荷除了广为人知的主载荷金星探测器AKATSUKI外,还发射了世界上第一面试验太阳帆Ikaros, 另有UNITEC-1WASEDA- SAT2KSAT Negai四项微型载荷。
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 H-IIA F17 6项载荷分离顺序

       这次发射即使在世界航天史也创造了几个第一:首个主要关注地球 之外星球气候的任务(akatsuki/拂晓,拂晓是研究金星大气运行等气候信息的探测 器),首个民间(大学机构)研制的深空探测器(UNITEC-1),首面试验太阳 帆和首面进入深空的太阳帆。综合起来,这还是历史上单次深空探测器最多 (单次发射AKATSUKI,UNITEC-1IKAROS三个 探测器)的发射。这些第一自然吸引航天爱好者的注意,不过对于孩子们来说,这次发射载荷 中的Negai或许更吸引他们的注意。

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 可爱的许愿星Negai

       NegaiWish的 意思。大家肯定都听过那个童话传说:在流星划过时下许下一个心愿,梦想就能成真。可惜大多数人行色匆匆来不及看流星。好吧,创价大 学(soka university)开发的Negai卫 星圆你未曾许下的梦想,来得及的话,让你的孩子也对夜空许个愿望吧。在发射后的三个星期内,Negai将 一次次 的划过夜空,传递梦想,不过由于轨道只有300千米高度,Negai会很快陨落成为真正的流星。下面是5月23日三颗卫星的TLE:
2010-020A
1 36573U 10020A 10141.65543066 .00001573 -49751-5 00000+0 0 65
2 36573 29.9775 240.0377 0011718 280.3428 79.5982 15.91749971 129
2010-020B
1 36574U 10020B 10141.59273369 .00036233 -45651-5 10000-3 0 55
2 36574 29.9760 240.4862 0012341 273.5664 86.2605 15.91719949 103
2010-020C
1 36575U 10020C 10141.65538671 .00036489 -45545-5 10000-3 0 70
2 36575 29.9789 240.0261 0011500 279.9348 80.0169 15.91879818 119
有兴趣的可以自己去模拟轨道,当然地面是看不到10厘米见方Negai:-)精灵古怪的日本人物尽其用,在Negai上还是 用FPGA搭建了高可靠性的信息 处理系统,试图验证太空环境下FPGA的可靠性能否如地面一样可靠。

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 Negai的相机是30万像素,jpeg压缩到10%体积,照片质量与这张类似

       Negai还带有对地球拍照的功能,可与地面通过UHFVHF通信。对于一个质量只有1千克,体积是10厘米立方体的Negai卫星来说,尽管功能很少 但是他们潜心在孩童中培养航天爱好者的努力,还是很令一衣带水的中国人汗颜不已。希望我国能有更多希望一号之类的卫星,在青少年中培养航天爱好者吧。今日 美国商业航天投资巨头基本都是阿波罗登月的号角中长大的,今天还是孩童的爱好者,明天就是最好的航天开发者和投资者,如果说我们过去投资不足航天技术对比日本屡屡露怯,可是这些本小利大的投资总不该省吧,那岂不是在起跑线上输掉了航天事业的明天?

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 早稻田大学的Waseda-Sat2卫星

       如果说Negai剑走偏锋,那么早稻田大学的Waseda-Sat2就在技术上很有创意了。Waseda-Sat2卫 星也是此次发射的微型卫星,无独有 偶,也是10厘米的立方体,不过质量大约是1.2千克。Waseda-Sat2卫星将验证一个很有 趣的创意,通过拍浆进行姿态高度控制。我们都知道在水面 划桨可以行船,在空中螺旋桨飞机曾独霸数十年,那么太空呢,太空低轨道的大气密度比地面小多了,但对于高速绕行的卫星仍然不可小视,比如我国明年发射的天 宫一号即使在400多千米高度的轨道,正常维持2年 轨道仍然需要总质量1/8的推进剂。早稻田大学的学者们试图采用划桨排开极其稀薄的空气来进行轨道 控 制,不可不谓匠心独具了。此外,Waseda-Sat2卫星还进行QR码的光学验证试验,卫星携带的LED显示QR码,被卫星自身携带的照相机拍摄后,通 过电波传送回早稻田大学,地面处理后在网站上显示卫星生成的QR码,这也是一个吸引爱好者的功能,不过Waseda-Sat2本 来就是一个吸引爱好者的项目。

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 KSAT卫星,用于水蒸气观测

       还有一个留在地球轨道的载荷是KSATKSAT是鹿儿岛大学研制的微型卫星,也是10厘米见方,不过质量更大一些约为1.5千克。KSAT卫星可以说是第一颗民间气象卫星,通过多个天线接收太空中KSAT卫星发射的无线电波,从而分析大气中水蒸气的分布,以此预测暴雨的来临,此外它还将通过微波高速通信拍摄地球移动图像。KSAT的功能没有什么出彩之处,但是这仅仅是一个鹿儿岛大学的作品而已。

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其貌不扬的 UNITEC-1是第一个非民间的深空探测器

       除了地球轨道上的三颗微型卫星,此次发射还包含了首颗民间深空探测器UNITEC-1,这是日本大学空间工程联合会的合力之作。UNITEC-1是一个35厘米见方的立方体,质量约21千克,使用5.8GHz的频率,通信功率15瓦,探测器电源功率25瓦。它的主要用途是验证日本大学开发的航天用计算机在真实太空环境下的可靠性和性能,此外还将对进入深空的UNITEC-1探测器发回的极其微弱的信号进行接收和解码,日本接收信号将使用业余无线电社区的3米直径天线,当然信号是对全世界无线电爱好者开放的。另外它还将根据设计,UNITEC-1探测器将进入金星转移轨道并抵达金星,这段漫长的旅程中苛刻的外太空环境将检验日本大学设计的计算机和通信系统,很多人对这个深空飞行器能活着达到金星表示怀疑,严格的说这也算不上深空探测器,因为它并没有什么探测设备,一定要谈的话倒是有宇宙射线测定器。对于这个大学机构开发,飞向深空的试验星,日本人的探索精神很值得钦佩。我们中华泱泱大国,对比因陋就简的UNITEC-1,如何不令人尴尬?

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 AKATSUKI探测器艺术想象图 

       以上是少为人知的微型载荷,其实这次H-IIA F17发射的重头戏,是拂晓金星探测器和伊卡洛斯试验太阳帆。拂晓金星探测器是日本的第一个金星探测器,也是人类第一次发射其他行星的气象卫星。

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 地球与金星,不同的环流,为什么呢?

拂晓探测器试图探查我们感兴趣的很多金星气候问题,如进行的超级自转风(super ratation)是如何产生的?子午线平面气流循环是如何工作的?金星的云层是如何形成的?金星的闪电是如何产生的?金星存在活火山么?和地球存在众多的气压带和风带不同,金星上存在环绕整个星球的100米每秒以上的超级大风,也就是超级自转风,自东向西流动,约4天即可环绕金星表面一圈,继2007年欧空局金星快车探测器后,日本的拂晓探测器也将前去,进一步揭开它的神秘面纱。

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 AKATSUKI拂晓探测器的结构

       拂晓探测器是一个箱型结构外加两面太阳能电池阵,总质量约500千克。它被H-IIA F17火箭送入金星转移轨道后,经过6个月多的航行抵达金星附近,随后变轨金星近地点300千米远地点80000千米倾角172°的金星大椭圆轨道,环绕金星时间约30小时。抵达金星后,按照设计拂晓探测器将进行2(地球时间)的探测工作,即使在任务的最后,太阳能电池阵也能为探测器提供500瓦的功率,保证探测器正常工作。探测器携带5台摄像机,分别是1微米和2微米的IR1IR2红外相机,长波红外相机LIR,紫外相机UVI,闪电和气辉相机LAC,其中两台短红外相机观测金星低空云层活动,并试图收集活火山活动的数据;长红外相机和紫外成像仪将跟侧云层顶层并跟踪超级自转风等生产全球风图;闪电和气辉相机将拍摄进行夜间图片。此外还有一台无线电测量装置,用于探测金星大气层的温度和密度。由于从金星转移轨道进入进行环绕轨道变轨需要很大速度增量,拂晓探测器的干重并不大,至于科学探测用的仪器质量更是只有37千克,具体分布上是IR1相机约6.7千克,IR2相机约18千克,LIR相机约3.3千克,UVI相机约4.1千克,LAC相机约2.3千克,USO测量装置约2千克。这些设备很小,不过性能却不差,如IR1相机具备12°视角,CCD1024*1024像素的规格,具备1.01微米波长夜间对地面和云层观测,0.97微米波长夜间对蒸汽观测,0.90微米夜间对地面和云层观测,0.90微米白天对云层观测的能力。IR2同样是12°视角和1024*1024像素规格,具备1.735微米、2.26微米、2.32微米、2.02微米和1.65微米等多频段观测能力。相比之下LIR只有320*240像素规格,12°视角10微米波长日夜对云顶温度进行观测。UVI相机具备12°视场和1024*1025像素规格,白天以283纳米/0.283微米波长对云顶二氧化硫进行探测。LAC相机则具备16°视场,可以再777.4纳米,480-650纳米,557.7纳米和545纳米四个频段上对闪电和气辉进行观测。

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 拂晓探测器的星载设备及其功能

       对于拂晓来说,深空测控也是一个不小的难题,为此JAXA与欧空局ESA和美国航空航天局NASA合作。甚长基线干涉测量VLBI方面使用ESA和本土的VLBI站;在发射、金星转移轨道和金星变轨阶段的使用了NASA在金石,堪培拉和马德里的测控站,不过主要操作站仍然是日本国内的内之浦和臼田航天中心。

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IKAROS太阳帆艺术想象图 

       最后要介绍的,就是第一面太阳帆IKAROS了。IKAROSInterplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun的首字母缩写,又是希腊神话中飞向太阳被融化翅膀的ikaros的名字。Ikaros将依靠光压获得加速或减速,本体是一个变长14(对角线长20)的四边形,光帆上还配有太阳能电池产生电力,为以后更实用的光压+电推复合推进方式进行前期验证。Ikaros太阳帆质量为310千克,膜面质量即使包含了4个尖端的2千克质量在内也只有15千克,膜面为厚度7.5微米(大约头发直径的1/10)的聚酰亚胺制成。

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 IKAROS太阳帆展开示意图

由于是小型试验太阳帆,Ikaros本身其实并不指望依靠光压获得多少加速,因此设计上本体质量太大并不是什么缺陷。这次试验最低限度的目标是验证大型薄膜的展开和薄膜太阳能电池发电功能,即使这个最低限度的目标,实现的话也是世界首例。如果顺利展开太阳帆的话,接下来将验证通过太阳帆加速和太阳帆自身的导航能力,深空中太阳帆的试验更是世界上的首次尝试。从原始规划来说,Ikaros太阳帆被火箭送入金星转移轨道,分离后开始自转转速每分钟5(5rpm),随后减速为2rpm并开始同步释放太阳帆的四个顶点,再向后则加速旋转到25rpm开始第一阶段的部署,激活塞子让支架在离心力作用下自然展开,展开太阳帆面四个支架的过程中,自转速度会随之变慢,到完全展开时降低到5~6rpm,至此完成第一阶段的部署。在展开的震动平息后,激活相关的塞子开始展开太阳帆的薄膜,太阳帆薄膜展开过程中自转速度会进一步变慢,降低到1~2rpm,这个展开的过程将在发射后数个星期内逐步完成,顺利展开的话也就达成了Ikaros太阳帆的最低限度实验目标。

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IKAROS太阳帆试验示意图

需要澄清的是Ikaros太阳帆抵达金星并不靠太阳帆的光压为动力,完成太阳帆部署后飞向金星的6个月内, Ikaros太阳帆在金星转移轨道上试验加速能力和轨道控制功能,而不是靠光压从地球轨道进入金星转移轨道。

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JAXA未来木星及特洛伊小行星中型太阳帆想象图

       Ikaros本身固然只是一个试验太阳帆,但是JAXA的梦想是使用带薄膜太阳能电池的太阳帆为动力进行真正的深空探测。金星转移轨道需要的速度增量不算太大,H-IIA火箭牛刀小试轻松送入,但是外太阳系行星轨道则需要高得多的加速,在此前的深空探测中,NASAESA都是采用探测器在行星间借力加速的手段,才实现对木星以至更远行星的探测。JAXA试图使用太阳帆利用光压外加薄膜太阳能电池与离子发动机的复合推进方式,对木星和小行星带进行深空探测。现在的纸面规划上,探测器将是50米直径的实用中型太阳帆,不过这个任务的开始还有待于Ikaros试验太阳帆的顺利完成。即使Ikaros一切顺利,对木星及特洛伊小行星的太阳帆型深空探测器也只能在2020年附近发射。

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AKATSUKI探测器UVI相机拍摄的第一幅地球照片 

       521日成功发射和载荷分离后,目前AKATSUKI探测器已经成功启动测试星载设备,并对地球进行了摄像。IKAROS探测器也对太阳能电池和通信系统进行了测试,准备在以后开始展开太阳能薄膜帆面的操作。

       5月26日,根据NSF(nasaspaceforum)论坛日本网友的消息,UNITEC-1, KSAT and Wasedasat-2已经失去联系,Negai正常,JAXA控制下的AKATSUKI和Ikaros正常。微型卫星外加自己做测控,的确不那么容易。没有航天商业公司或是航天政府机构的协助,问题一堆堆的。国内南航的天巡一号卫星,从西陆论坛上看到的参与人员爆料,研制阶段就是问题多多,不和5院等卫星研制部门合作根本搞不好。日本水平高些,但实际工程能力和研制经验不足的问题同样存在。

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