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航天科普

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科学与技术试验卫星

更新日期:2018/5/28来源:上海航宇科普中心

科学与技术试验卫星是人类最早研制的卫星类型之一,在人类叩开太空之门、探索认识广袤宇宙、解释验证重大理论、加速技术成熟与成果转化方面发挥重要作用。从应用角度上划分,科学与技术试验卫星主要包括科学卫星技术试验卫星两类。科学卫星主要用于人类对空间科学的探索研究;技术试验卫星主要用于航天技术的飞行试验与验证。

1)科学卫星

空间科学是随着空间技术的发展而逐渐发展起来的一门新兴的综合交叉学科,主要利用航天器来研究发生在宇宙空间的物理、天文、化学和生命等自然现象及其规律,是当代科学前沿。以空间科学研究为主要任务的科学卫星,主要包括天文卫星、空间物理探测卫星和生物卫星等几种类型。半个多世纪以来,人类利用科学卫星获得了宇宙天体、空间物理等方面的丰硕科学探测和科学实验成果,促进了航天器技术的快速发展,也极大地激发了人类对未知领域的探索和创新精神。

科学卫星的发展最早可以追溯到20世纪50年代末期。1957年,苏联发射了人造地球卫星-2,是世界第一颗把动物送入轨道的卫星。1961年,美国发射了世界第一颗天文卫星——探险者-11,用于伽马射线探测。在20世纪60~70年代,美国相继发射了“轨道天文观测台”系列天文卫星和“高能天文观测台”系列天文卫星,成为空间天文发展的主要国家。这一时期的空间天文活动主要在地面难以进行的高能谱段附近开展。欧洲在空间天文方面也取得显著成果。1968年欧洲发射了欧洲空间研究组织-2B卫星,用于宇宙射线和太阳X射线探测。这一期间,世界空间物理研究方面也取得显著成果。1977年,美国成功实施了“国际日-地探险者”(ISEE)计划,拓宽了各国科学家进行日地空间研究的途径,提高了对日地空间现象的认识。

20世纪80年代,美国、欧洲保持空间科学领域的领先地位,开展广泛合作。1983年,美国与欧洲联合研制的红外天文卫星-1发射升空。该卫星是世界上首颗红外天文卫星,首次揭示了银河系的核心,探测到35万个新的红外辐射源,使探测到红外辐射源的数量增加了70%,还探测到宇宙空间中大量正在形成的新恒星。这些发现大大增进了人们对宇宙的认识并推动了红外天文学的发展。1989年发射的美国“宇宙背景探测器”(COBE)是第一颗宇宙微波探测卫星,探测到宇宙背景辐射微弱的各向异性,证明了大爆炸理论提出的早期宇宙的暴涨理论,使人类对宇宙的早期演化有了一个革命性的认识。COBE团队的两名主要研究人员还获得2006年诺贝尔物理学奖,以表彰他们在宇宙微波背景辐射研究方面的重大发现。

20世纪90年代以来,美国、欧洲的空间天文活动更为活跃,日本、俄罗斯也发射了天文卫星。这一时期最为著名的是美国“大型空间天文台”系列的四大空间望远镜:1990年发射的“哈勃空间望远镜”、1991年发射的“康普顿伽马射线天文台”、1999年发射的“钱德拉X射线天文台”和2003年发射的“斯皮策空间望远镜”。特别是“哈勃空间望远镜”取得了极为丰硕的成果,截至2010年已拍摄恒星、行星、星云、类星体、褐矮星和超新星等90多万张宇宙图像,对2万多个天体进行了研究,成功测定了宇宙的年龄约为137亿年,证实了星系中央存在大质量黑洞。这些成果大大促进了人类天文学的进步,开阔了人类的视野,也激励了更多的年轻人投身于天文领域。欧洲2009年发射的“普朗克”空间望远镜,以有史以来最高空间分辨率和时间分辨率研究宇宙微波背景的分布。日本也在2005年发射了其新一代X射线天文卫星——天文-E2,在2006年发射了其第一颗红外天文卫星——天文-F。这一期间,全球空间物理卫星、空间生物卫星也实现快速发展。美国主导实施的“国际日-地物理”计划对空间物理研究具有重要推动作用。最初该计划包括“极”卫星、“风”卫星和“地球磁层尾观测”卫星,此后陆续有其他国家的科学卫星加入,开展太阳事件的发生、传播和对近地空间环境影响等全面的日地空间研究。俄罗斯利用“光子”卫星,支持欧洲各国开展空间生命科学、空间材料科学等实验,取得了丰硕的科学研究成果。

2)技术试验卫星

航天具有高技术、高风险的特点,这就要求航天发展中产生的新技术、新方案、新仪器和新材料在进行空间飞行试验和验证后,才能投入实际应用。技术试验卫星就是专门承担此类任务的卫星类型。尽管技术试验卫星不直接服务于人类的生产和生活,但却在推动通信广播、导航定位等应用卫星技术发展,支持载人航天、空间探测技术突破等方面发挥着不可或缺的作用,不断开拓着航天器的应用领域。

技术试验卫星的发展经历了两个高速发展阶段。1957年到20世纪70年代中期,全球空间技术处于探索阶段。这一时期,苏联、美国、法国、英国、德国等国家发射了数量众多的技术试验卫星,开展卫星技术验证、新应用领域的概念与技术验证以及空间环境探测。例如,美国的“应用技术卫星”系列,包括6颗卫星,开展了多个应用领域的技术验证,显著推动了美国通信、导航、对地观测等应用卫星技术的发展。这一时期,经过大量的技术飞行试验,主要航天国家掌握了航天基础技术,开拓了新的空间应用领域,满足了人类空间探索和空间资源利用的早期需求。

20世纪90年代中期开始,随着科学技术特别是信息、电子、新材料技术的飞速发展,出现了大量可提高航天器性能水平的新技术、新材料和新设备,世界各国又开始了新一轮的技术试验卫星研制热潮。美国制定了“新盛世计划”,通过一系列小型低成本航天器任务,降低未来空间科学任务采用新技术的风险。“战术卫星”验证了“作战响应空间”技术和能力实现的可行性,在军事航天战术应用、低成本航天器研制、商用现货技术发展等方面具有极为重要的影响。日本的“工程试验卫星”系列、欧洲的“星上自主项目”系列也开展了多项成功的飞行任务,推动了航天器小型化、激光通信、在轨服务等众多技术领域的发展。

未来,随着人类航天发展速度加快和活动领域拓展,科学与技术试验卫星将在人类探索、认识宇宙,推动航天技术发展过程中发挥更为重要的作用。

在科学卫星领域,全球空间科学活动将更为活跃,主要航天国家纷纷制定中长期科学探索计划并开展广泛合作。继“大型空间天文台”计划之后,美国制定了更为长远、系统和宏伟的空间天文计划,最终目的是研究太阳系外的行星。美国正在研制的“詹姆斯·韦伯空间望远镜”投资超过80亿美元,计划于2018年发射,将代替“哈勃空间望远镜”,成为有史以来最大的空间望远镜。此外,具有全谱段联合探测、高时间分辨率、高空间分辨率、高光谱分辨率探测能力的空间天文卫星也将陆续发射。在空间物理探测方面,美国主导实施的“日地探测器”(STP)计划和“与星同在”(ILWS)计划,将对日地物理空间进行整体探测和研究。空间物理卫星将具有小型化、低成本、高精度、多星多任务综合探测的显著特点。低成本、高性能,用于空间生命科学和空间生物技术开发的科学卫星也将成为未来的发展热点。

在技术试验领域,随着应用卫星、载人航天和空间探测等领域的不断发展和延伸,技术试验卫星将形成多种试验平台和各种发展模式并存的格局。通信广播、对地观测、导航定位等应用卫星的新载荷、新电源、新材料、新推进等技术的试验验证仍将占有一定比例。空天飞机、在轨服务、自主运行、即插即用以及微小卫星、立方体卫星、分离模块航天器等将成为新的技术试验热点。

转载自:世界航天器大全