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太空授课背后的中国航天实力

20日上午10时05分至55分,神十航天员王亚平在天宫一号(微博)上进行我国首次太空授课。此次太空授课主要面向中小学生,讲授失重条件下的物体运动特点、以及液体表面张力作用等内容。

或许有人会认为这没什么实际意义,或许还会有人认为这不过是激发青少年航天热情的太空秀。太空授课看似是很简单的一项任务,但鲜为人知的是,这需要强大的航天测控能力在背后进行支持,特别是数据中继卫星的支持。

神舟天宫组合体运行在距离地面大约340公里的高度,属于近地轨道航天器,绕地球运行一圈的时间约为90分钟。

受地球曲率影响,地面或海面单个测控站对340公里高度的神舟天宫组合体的测控、通讯范围很小,如果要保持不间断的通联,理论上需要布设100多个站点均匀分布在地表,这在经济上、政治上都是不可能的。此次太空授课的时长是50分钟,从上课开始到结束,这期间神舟天宫组合体已经围绕地球飞行了半圈多,依靠地面测控站进行不间断视频直播的话,最理想情况也需要10多个测控站,我国的地面测控体系现在也缺乏这个条件。

   数据中继卫星是个好东西,但技术难度却相当大,美国在60年代即成功发射静止轨道通信卫星,但在约20年后才拥有数据中继卫星。我国则直至去年才建立自己的数据中继卫星系统。

与普通通信卫星相比,数据中继卫星需要克服的第一个技术难题是对航天器的捕获和跟踪。中继卫星运行高度是36000公里,低轨航天器的高度仅为数百公里,距离非常远;而视频、高质量静态图像又需要高速数据传输,中继卫星与低轨航天器之间需要采用增益高、波束极窄的Ku/Ka波段天线进行通讯。通讯距离远、通讯波束窄,这就对跟踪精度提出了极高要求,要达到0.06度。

    中继卫星为了与众多中低轨道卫星通信,天线处于复杂的变速运动状态,在转动速度、加速度和角度上都没有规律,天线的机械驱动机构不仅要精度高,而且要求在恶劣工作环境下长时间稳定运行,制造难度很大。同样麻烦的还有天线与卫星的振动耦合问题,非线性结构的天线不规律的运动和振动,对卫星本体姿态控制也有很复杂的影响,对卫星控制也提出了很大的挑战。而天线制造本身也是一个难题,高数据传输速率要求高增益天线,通俗地说,中继卫星的抛物面通信天线尺寸要尽可能的大。同时,Ku/Ka波段波长小,对天线抛物面精度要求也非常高。数米直径的抛物面天线整体形面误差要低于0.1毫米,并且要在外太空高温差条件下长期保持这样的精度,其难度可想而知。