温州918博天堂机械制造有限公司
918博天堂_博天堂918_首页_恭祝发财 | Tel : 0577-86277300 | E-mail:86283678@qq.com
关于我们 产品中心 新闻中心 客户案例 在线留言 联系我们
系统研制人员从任务需求出发
发布者:admin浏览次数:

  央广网上海3月27日消息(记者傅闻捷 韩晓余)2016年12月11日零时11分,在西昌卫星发射中心,风云四号卫星(01星)由长征三号乙运载火箭成功发射。这颗被誉为世界最先进气象卫星的成功发射,意味着中国未来的天气监测与预报预警将更为准确,同时也代表着中国在气象卫星这一高端领域已经达到了世界先进水平。

  风云四号是我国新一代静止轨道气象卫星的首发星,也是我国首颗高轨三轴稳定定量遥感卫星。卫星发射重量5400公斤,设计寿命7年,装载有多通道扫描成像辐射计、干涉式大气垂直探测仪、闪电成像仪和空间环境监测仪器包等多个有效载荷。其主要任务是获取地球表面和云的多光谱、高精度定量观测数据和图像,获得高频次的区域图像,实现对大气温度和湿度参数的垂直结构观测,实现闪电成像观测,完成卫星图像、遥感数据及产品分发和灾害性天气警报信息发布,监测太阳活动和空间环境,收集地球环境参数,为业务研究提供观测数据等。

  自2010年立项以来,风云四号团队历时近7年攻关,填补了我国多项技术空白,它的发射将实现我国静止轨道气象卫星的更新换代,整体性能达到欧美最新一代静止轨道气象卫星的水平,在技术上实现了从跟跑并跑向并跑领跑的重大跨越。

  风云四号采用了三轴稳定的控制技术,“相对于自旋控制,三轴稳定控制可以大幅度地提高卫星对地观测的时间效率,也可以更大限度地满足多载荷装载的要求。”风云四号卫星总设计师董瑶海介绍。但由此也带来了在卫星姿态控制、结构设计、热控设计等方面一系列的难题。“三轴稳定是未来高精度静止轨道定量遥感卫星的大方向,我们要发展自己的静止气象卫星,这是必须突破的前提。”

  美国同类气象卫星自上世纪90年代开始,至2006年,共计发射了6颗三轴稳定的静止气象卫星,才真正高轨三轴稳定控制卫星的高精度观测。作为我国首颗采用此项技术的高轨定量遥感卫星,风云四号需要在一颗卫星上解决了人家数颗卫星才解决的问题,难度可想而知。碰到的第一个问题就是要让卫星指得稳、测得准,控制要求都达到了“角秒”级别。

  角秒,是角度测量的一个单位。形象的说,就是在100公里以外用一束光指向一面墙,在墙上形成一个光点,这个光点的位置移动0.5米,对应的光束变化角度就是1个角秒。

  在2008年,国内还没有高轨卫星能够做到“角秒级”的精度水平,在国际上能够做到这个精度水平的也寥寥无几,不说能控得住,就是怎么能够测出来都是很大的问题。甚至是姿控专家都对这些指标的可实现性提出了疑问,认为角秒级的这个指标是“不可能实现”的技术指标。在当时的技术条件下,风云四号的这些指标确实是不可能实现的,不但没有现成的技术方案可以使用,甚至连精度足够高的测量部件都没有。

  为了将“不可能”化为“可能”,在型号总设计师董瑶海的领导下,系统研制人员从任务需求出发,对姿控系统设计的每一个细节都进行了反反复复的设计、核对和核算,一点一点的完成了高精度高稳定度姿态控制系统的设计,为国内高精度卫星的设计提供了有效的技术借鉴。

  历经8年,风云四号高精度高稳定度姿态控制系统通过多次系统级半物理仿真试验、系统级全物理仿真试验、整星级电测试的考核,成功的实现了在轨高姿态确定精度和高姿态稳定度控制,卫星平台控制达到了国际先进的水平。而基于风云四号卫星的设计需求研制测量精度达到0.18角秒的高精度陀螺组件等部件已在国内多颗高精度卫星上得到了应用。

  通过两只“慧眼”多通道扫描成像辐射计与干涉式大气垂直探测仪,风云四号在不久前传回了细节清晰,波段光谱特征明晰的气象探测图像,当大家惊叹于图片质量的时候,风云四号结构工艺师刘锦心里也美滋滋的。当初为了让这两个有效载荷在卫星上“站稳脚跟”,运行时没有有一丝抖动,他们可是立下了“军令状”。

  如果把风云四号比作一幢房子,那多通道扫描成像辐射计与干涉式大气垂直探测仪便是要装在整撞房子的顶板上,它们能“站”得稳,首先房子得造得扎实。因此无论是造承力筒这个“地基”开始,团队便严格控制安装精度,“即使是丝毫的偏差我们都不能放过,因为任何偏差都会影响到整个平台的精度,”团队成员汪超告诉记者。

  最大的难题来自于星体顶部的载荷安装面,安装面的超大尺寸以及柔性悬臂设计都为确保平面精度带来了极大的挑战。团队刚通宵达旦地研制出符合基准转换装置,解决了超大尺寸机床加工行程不够的问题,却又遇到柔性悬臂结构板加工颤振的难题,于是便又马不停蹄设计阻尼减震装置。最后面对确保载荷安装面高精度加工难题,技术团队更是立下“军令状”一定使精度达到0.1mm!

  技术团队引入先进的激光跟踪测量技术,并与机床整合成一套加工-测量-反馈-再加工为一体的组合加工系统,最终攻克了超大尺寸高精度柔性悬臂载荷安装面组合加工的技术难题,使载荷安装面的精度达到0.08mm,优于原定目标,仅相当于一根头发丝的厚度!

  风云四号卫星搭载了多通道扫描成像辐射计、干涉式大气垂直探测仪、闪电成像仪和空间环境监测仪器包等4个有效载荷。其中的干涉式大气垂直探测仪又被大家形象的称为能给大气做体检的“CT”。干涉式大气垂直探测仪“娇贵”到什么程度?就如同豌豆公主隔着20层床垫和20床鸭绒被都能被一粒豌豆硌疼。几乎是在卫星边上吹一口气形成的振动,就会诱发干涉仪动镜倾斜,导致分析光谱产生“鬼线”或者无法预知的谱线,这样扫描出的大气垂直结构CT图可能就会“鬼影重重”,好比拍照中手抖出来的照片就模糊不清。

  “在风云四号卫星预研阶段的一次载荷试验中,因为试验现场有人说话,致使图像质量大受影响。”风云四号卫星结构系统副主任设计师申军烽回忆。

  

  现在要把这“娇贵”的仪器搬到天上去,而卫星在轨运行过程中,每分钟几千转的飞轮、载荷探测机制用的“压缩机”、扫描镜等活动部件都会产生振动干扰,微振动干扰问题十分突出。

  此前,国内卫星并不提微振动技术,唯一上天验证过该技术的也只有美国。为此,团队陷入了两难境地。最初,风云四号团队也想过,要是微振动抑制技术攻克不了,就牺牲有效观测时间,让扫描辐射计和干涉式大气垂直探测仪分时工作,减小相互干扰。

  最终,风云四号团队靠着不断的研究,理清了微振动问题的主要内容和技术难点,逐渐形成给载荷坐上超级“软沙发”的微振动隔振系统设计方案。

  “软沙发”想法很好,但要变成现实难度不小,它既要能扛得住火箭发射过程大过载超重,又能满足在轨失重以及各种空间热、辐照等环境下的使用。一开始,试验很不顺利。理论设计都很好,但做了无数次试验,隔振性能是达不到要求。直到一次试验中,电话铃偶然响起,传感器幅值迅速升高,大家才意识到,微振动试验结果被周围的环境噪声所淹没了,一定要在完全安静的情况下做试验。

  为了不影响研制进度,在专门的微振动试验间的条件没有完全建成前下,微振动研制团队每次做试验都选择在半夜,并且要清场,关闭空调,拔掉电话线。在静得让人发慌发困的绝对安静环境中几小时几个小时的不停试验,他们不敢说话,甚至不敢随意走动,生怕自己一不小心成为意外的微振动源头,影响测试数据。

  又用了2年的时间,团队终于摸清了卫星10余个转动部件的振动特性与传递路径,实现了振源隔振装置和有效载荷隔振装置的工程化,星上微振动抑制到1mg以下(相当于手轻拍桌面形成振动的三百分之一),解决了精密遥感的图像抖动问题。

  风云四号是风云二号的升级换代产品,主要任务是获取地球表面和云的多光谱、高精度、定量观测数据和图像,实现大气温度和适度参数的垂直结构观测。这主要得益于星上搭载的世界首个高轨气象卫星垂直探测仪,可以对大气连续长时间的做切片处理,就像为大气做“CT”,连欧美都很期待我们将来与他们共享数据,董瑶海说到。

  据董瑶海介绍,闪电从地面看是线状的,但从太空看闪电就像蘑菇云,就像开水一样不停地向上翻腾。风云四号搭载的闪电成像仪将会为我们揭开闪电的神秘面纱。闪电成像仪是国内首台静止轨道光学遥感器,它的高速摄像头每分钟可以拍摄500张照片,准确记录闪电的频次和强度,然后与云图叠加起来,实现对强对流天气的监测与跟踪,这对暴雨等强对流天气预报非常有用。

  漫长的研制攻关带来的是功能的强大。比如青海湖的水温常年20度左右,风云四号卫星对它的水温的绝对温度监测要准确到1度,如果水温有0.1度的变化卫星都能反应。再如对台风的监测,以前登陆强度最高是12级以上,现在风云卫星可以精确到16级。2015年中央气象台台风24小时路径预报误差首次低于70公里,达到世界先进水平,最后十分钟登陆的精度世界第一,大幅减少因台风带来的经济损失。

  董瑶海说:“即使这样,我们还是可以看到许多不足,在理解的同时也欢迎别人给我们找缺点,就怕别人都说我们好,那我们就停滞不前了。”之所以我国气象卫星经过两代十几颗卫星,就达到了美国三代60多颗卫星的水平,也正得益于我们始终不忘初心,继续前进。