布滿宇宙射線、高能粒子的太空中，神舟十一號、天宮二號以每秒數(shù)萬米的速度高速飛行，如何做到“天神”同步，毫厘不差？“天鏈一號”將擔(dān)此重任。

神舟十一號飛船升空后，將依靠中國航天科技集團公司五院西安分院研制的中繼終端，與地面保持通信。飛船進入預(yù)定飛行軌道時，中繼終端將計算出飛船天線的指向數(shù)據(jù)，將天線指向中繼衛(wèi)星“天鏈一號”，完成對“天鏈一號”的捕獲跟蹤，并向中繼衛(wèi)星發(fā)送數(shù)據(jù)，從而建立從神舟十一號飛船到中繼衛(wèi)星再到地面站的數(shù)據(jù)傳輸鏈路。這就如同把地面測控站搬到了離地球3.6萬公里的太空同步軌道，形成天基測控。

交會對接過程中，通過中繼終端所搭建的天基測控通信系統(tǒng)，可以對天宮二號和神舟十一號飛船實現(xiàn)同時測控、同時高速數(shù)據(jù)傳輸，所建立的星間鏈路可以實時向地面?zhèn)鬏斀粫赢嬅妗?/span>

載人飛船由火箭護送進入預(yù)定軌道后，就獨自開始了在宇宙空間的飛行旅程。在航天英雄楊利偉眼中，太空中群星璀璨、浩渺無垠，遠遠地能看到一顆藍色寶石般的地球，*壯觀、美麗。但說到具體的環(huán)境參數(shù)，軌道空間可就不那么舒服了。

那里空氣*稀薄，接近真空，而且近似于一個溫度低-269℃的超大黑腔，太陽、行星等分散其中。載人飛船運行在距離地球表面約400公里高度的軌道上，在那里會受到太陽的輻射、地球大氣的輻射和反照，還會受到許多游離在空間的高能粒子的影響。在這樣的環(huán)境中，飛船應(yīng)該怎樣更好的保護自己呢？

據(jù)了解，中國航天科技集團公司五院作為神舟十一號載人飛船的抓總研制單位，承擔(dān)了系統(tǒng)設(shè)計、總裝、測試、大型試驗等工作。據(jù)該單位相關(guān)負責(zé)人介紹，神舟十一號載人飛船使用了多項國產(chǎn)技術(shù)，充分保證了航天員在太空中工作、生活的。

1、不怕高溫的神奇“外衣”

為了保證飛船在太空環(huán)境里更好地保護自己，中國航天科技集團公司五院總體部熱控分系統(tǒng)為飛船設(shè)計了神奇的“外衣”，就像人類的衣服一樣，天冷時能保暖，太陽照射時能防曬，同時衣服還能夠隔離灰塵、霧霾等有害因素對皮膚的傷害。載人飛船的外衣需要結(jié)合飛船的結(jié)構(gòu)特點以及各個艙體的功能特點進行“量體剪裁”。

據(jù)《法制晚報》(微信ID：fzwb_52165216)記者了解，載人飛船軌道艙是航天員生活和工作的主要空間，由于安裝在軌道艙內(nèi)的設(shè)備發(fā)熱量不大，所以設(shè)計人員為軌道艙設(shè)計了一套由多層隔熱材料組件構(gòu)成的外衣，厚度約為2厘米。在多層隔熱組件的外表面，還有一層華麗的復(fù)合膜，它的功能是提高飛船對軌道原子氧等粒子的防護能力。

返回艙承擔(dān)著將航天員帶回地面的重要使，需要耐受返回過程中穿越地球大氣層時的高溫?zé)g環(huán)境，所以返回艙外衣的里層是厚厚的劃分成網(wǎng)格狀的防燒蝕材料，在外表面再噴涂特殊設(shè)計的有機熱控涂層，不僅提高外熱流吸收能力,還能紅外輻射能力，為保證在軌期間的返回艙溫度提供有力支持。

由于主動流體回路的散熱輻射器安裝在推進艙，因此艙體對散熱的要求很高。為此，推進艙的艙體結(jié)構(gòu)上設(shè)計了一圈淺綠色的有機涂層散熱面；其次，艙體上安裝的輻射器外表面選用了純白色的熱控涂層，這身清爽的“散熱衣”，能極大地提高輻射散熱能力。

2、天基測控搭建太空“天路”

神舟十一號飛船成功發(fā)射后，要確保與地面通信的實時暢通，就必須依靠中繼終端。通過與中繼衛(wèi)星天鏈一號實現(xiàn)“太空握手”，中繼終端成為天基測控的重要終端。中繼終端的應(yīng)用，使我國的天基測控通信得以成為現(xiàn)實，從而在太空中搭建了地面與衛(wèi)星、衛(wèi)星與飛船之間的“天路”。

當(dāng)神舟十一號飛船進入預(yù)定飛行軌道時，中繼終端將計算出中繼終端天線的指向數(shù)據(jù)。之后，中繼終端中的轉(zhuǎn)動設(shè)備將天線指向中繼衛(wèi)星天鏈一號，這樣就完成了中繼終端對天鏈一號的捕獲跟蹤，并向中繼衛(wèi)星發(fā)送數(shù)據(jù)，從而建立了從神舟十一號飛船到中繼衛(wèi)星再到地面站的數(shù)據(jù)傳輸鏈路。在交會對接過程中，通過中繼終端所搭建的天基測控通信系統(tǒng)，可以對天宮二號和神舟十一號飛船實現(xiàn)同時測控、同時進行高速數(shù)據(jù)傳輸，所建立的星間鏈路可以實時向地面?zhèn)鬏斀粫赢嬅妗?/span>

在中繼終端及中繼衛(wèi)星投入使用之前，主要是通過地面測控站和海上測控站來實現(xiàn)對飛船的跟蹤和測控，無法實現(xiàn)對飛船的實時跟蹤測控。通過中繼終端建立的天基測控通信系統(tǒng)建立之后，將對神舟飛船的測控覆蓋率提高了70%以上。

中繼終端所使用的天鏈一號衛(wèi)星，可以形象地視為把地面測控站搬到了離地球3.6萬公里外的太空同步軌道，進而形成了天基測控。

3、快速檢漏的“小門神”

在執(zhí)行載人航天任務(wù)過程中，航天員要經(jīng)歷多次穿艙活動，因此精準快速艙門的密封性關(guān)重要。

早期的飛船采用整艙加壓，通過監(jiān)測艙壓的變化來艙門的密封性，這種方法準確、可靠，但耗時較長，對于早期無人飛船任務(wù)影響不大，然而對于載人飛船分秒必爭的航天員空間實驗任務(wù)影響較大。

艙門快速檢漏儀實現(xiàn)了對艙門和對接面的快速、準確檢漏，填補了國內(nèi)在該領(lǐng)域的空白。艙門在關(guān)閉后，門體上的兩道密封圈與門框之間會形成一個小空間。檢漏儀向小空間內(nèi)充入一定量的氣體，通過監(jiān)測小空間內(nèi)壓力的變化來判斷艙門的密封情況。如果發(fā)生泄漏，艙門快速檢漏儀會立刻發(fā)出報警指示。形象一點的講，它就像個衛(wèi)士一樣告知“家”的主人航天員，“門沒有關(guān)好，存在危險，您暫時不能入住?！焙教靻T對艙門進行處理，經(jīng)過再次檢漏合格后，才能順利入住艙內(nèi)。

目前，艙門快速檢漏儀已成為載人航天飛行器的“標配”設(shè)備，可稱得上是載人飛船的“小門神”。

4、“天宮”密封件壽達30年

“天宮二號”作為中國個真正意義上的空間實驗室，對飛船密封件性、穩(wěn)定性的要求更高。航天員將在“天宮二號”中開展人在太空中期駐留實驗，必須保證艙內(nèi)壓力、溫度、濕度、氣體成分等航天員生存條件。其密封件除要求密封性能可靠外，還要求材料無毒，能經(jīng)受住-70℃到200℃高低溫交變、高真空、強紫外輻射、帶電粒子輻照和原子氧侵蝕等各種復(fù)雜環(huán)境的長期考驗，不產(chǎn)生降解、老化和龜裂，可使用30年。

針對“苛刻”的任務(wù)特點，研制人員在原有成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上集智攻關(guān)，先后克服了原材料選材、成型等眾多難關(guān)，研制出完產(chǎn)、無毒無害的原材料，解決了各試件的模具成型的難題。因為密封材料的規(guī)格多樣、形狀各異，大的直徑長達一米多，小的只有十幾毫米，研制人員專門為其量身制作了一套模具，尺寸精度差不超過0.01毫米，確保了產(chǎn)品的性能和精度。各類模擬環(huán)境試驗表明：該密封材料達到同類產(chǎn)品水平，壽大于30年，各項性能滿足設(shè)計要求。

5、76臺姿控發(fā)動機全程護航

載人航天用的發(fā)動機，無論是推力75噸級的火箭發(fā)動機，還是飛船上實施姿態(tài)控制用的幾公斤推力的小姿控發(fā)動機，從一個零部組件到一條焊縫，都必須做到萬無一失。

此次“神十一”載人飛船與“天宮二號”空間實驗室實施交會對接后，兩名宇航員要在太空中駐留長達一個月的時間，航天科技集團六院研制的飛船上的48臺姿控發(fā)動機和空間實驗室中的28臺姿控發(fā)動機，擔(dān)負著全程保駕護航的職責(zé)。

在“神十一”載人飛船2500N發(fā)動機研制中，推力室頭部噴注器需要微小孔加工，密密麻麻上百個小孔細如發(fā)絲，而且撞擊精度、角度、距離、孔徑要求極為嚴苛。為了確保精度，六院改進方法，采用高速數(shù)控加工微小孔，效率提高了4倍以上，精度提高了3倍。

6、太陽翼結(jié)構(gòu)實現(xiàn)國產(chǎn)化

神舟飛船正常入軌，太陽翼帆板順利展開，這意味著飛船的首個國產(chǎn)太陽翼結(jié)構(gòu)首次經(jīng)過在軌驗證。該結(jié)構(gòu)由中國航天科技集團公司五院508所負責(zé)研制。

2014年4月，神舟十一號飛船原設(shè)計方案面臨進口碳纖維等原材料受限問題，研發(fā)人員開展了大量試驗和仿真計算，驗證了國產(chǎn)化替代方案的可行性。

在研制過程中，針對國產(chǎn)碳纖維性較差、易損傷的特點，不斷優(yōu)化參數(shù)、改進*作方法，確立了適用于國產(chǎn)碳纖維的一整套方案，研制出的碳纖維零件的外觀質(zhì)量、外形尺寸、內(nèi)部質(zhì)量和力學(xué)性能等均滿足設(shè)計指標要求。

7、在軌自主應(yīng)急返回救生

在載人交會對接中，由于任務(wù)的需要，神舟十一號飛船要頻繁變軌，為了進一步保障航天員的，飛船系統(tǒng)設(shè)計了在軌自主應(yīng)急返回的救生方案。也就是說，一旦飛船與地面失去聯(lián)系，導(dǎo)致地面指揮系統(tǒng)無法為飛船計算準確的落點，飛船將啟動自主應(yīng)急返回系統(tǒng)。

屆時，儀表控制器應(yīng)用軟件可以進行軌道預(yù)報，并通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算落點的控制參數(shù)，尋找落點的優(yōu)選方案，進而實現(xiàn)飛船的自主應(yīng)急返回。

自主應(yīng)急返回系統(tǒng)的應(yīng)用實現(xiàn)了完全由飛船儀表控制器應(yīng)用軟件自主快速計算返回控制參數(shù)的功能，解決了飛船在地面測控通信網(wǎng)外可進行自主應(yīng)急返回的技術(shù)難題。

此前，神舟“兄弟”在軌飛行期間，儀表控制器應(yīng)用軟件針對自主應(yīng)急返回進行了兩次在軌驗證，落點計算結(jié)果準確無誤，充分驗證了這一技術(shù)的可靠性。

8、“生之塔”逃逸發(fā)動機

火箭頂端有一個類似避雷針的尖塔狀裝置，這是被稱為航天員“生之塔”的逃逸救生系統(tǒng)。逃逸塔性能特殊、技術(shù)復(fù)雜，上之前只有美國和俄羅斯掌握了這項技術(shù)。1994年，科技人員出訪俄羅斯時，次看到了逃逸塔。俄方提出了高額要價，而且只提供產(chǎn)品，核心技術(shù)、設(shè)計軟件嚴格保密。

不甘受制于人的研發(fā)人員決心自己開發(fā)設(shè)計，終攻克了一系列關(guān)鍵技術(shù)難關(guān)，創(chuàng)造了十多項中國乃之。

據(jù)介紹，逃逸主發(fā)動機金屬殼體圓筒由此前的板材卷焊成形，變成了鍛件旋壓成形，產(chǎn)品可靠性及性大大提高。對關(guān)鍵進行了改進，大大提高了混合過程的性，提高了產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性。一批高精尖新型數(shù)字化設(shè)備，特別是高度的高能射線探傷儀的使用，成為保證神舟產(chǎn)品質(zhì)量的利器。

天鏈一號衛(wèi)星系統(tǒng)已覆蓋全球

天鏈一號01星于2003年正式啟動研制工作。經(jīng)過5年的艱苦研制，衛(wèi)星于2008年4月25日發(fā)射成功，同年12月4日正式交付用戶。在軌運行期間，衛(wèi)星運行穩(wěn)定，首次執(zhí)行神舟七號飛船在軌跟蹤與數(shù)據(jù)中繼任務(wù)取得圓滿成功，拉開了我國中繼衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)用的序幕。

此后，天鏈一號01星多次圓滿完成以神舟八號、神舟九號、神舟十號、天宮一號為代表的載人航天任務(wù)，以及地面艦船、運載火箭等為代表的非航天器類用戶的數(shù)據(jù)中繼任務(wù)。由于天鏈一號01星在軌表現(xiàn)優(yōu)異，多次受到上級領(lǐng)導(dǎo)和用戶的高度贊揚，加速了后續(xù)天鏈一號02星和03星的研制步伐。同時，天鏈一號01星研制過程中積累了大量的中繼衛(wèi)星研制和應(yīng)用的工程經(jīng)驗，也為后續(xù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)研制奠定了堅實基礎(chǔ)。

目前，天鏈一號01、02、03星三星組網(wǎng)系統(tǒng)已建成并成功運行，使我國成為繼美國之后上第二個擁有準全球覆蓋能力中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的。一代中繼衛(wèi)星系統(tǒng)已成為我國國防信息化建設(shè)的重要支持保障系統(tǒng)和我國空間信息傳輸?shù)闹匾獦屑~，取得了巨大的政治、經(jīng)濟和社會效益。

與普通通信衛(wèi)星相比，數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星需要克服的個技術(shù)難題是對航天器的捕獲和跟蹤。中繼衛(wèi)星運行高度是36000公里，低軌航天器的高度僅為數(shù)百公里，距離*遠；而視頻、高質(zhì)量靜態(tài)圖像又需要高速數(shù)據(jù)傳輸，中繼衛(wèi)星與低軌航天器之間需要采用增益高、波束極窄的Ku/Ka波段天線進行通訊。通訊距離遠、通訊波束窄，這就對跟蹤精度提出了極高的要求，要達到0.06度。

中繼衛(wèi)星為了與眾多中低軌道衛(wèi)星通信，天線處于復(fù)雜的變速運動狀態(tài)，在轉(zhuǎn)動速度、加速度和角度上都沒有規(guī)律，天線的機械驅(qū)動機構(gòu)不僅要精度高，而且要求在惡劣工作環(huán)境下長時間穩(wěn)定運行，制造難度很大。同樣麻煩的還有天線與衛(wèi)星的振動耦合問題，非線性結(jié)構(gòu)的天線不規(guī)律的運動和振動，對衛(wèi)星本體姿態(tài)控制也有很復(fù)雜的影響，對衛(wèi)星控制也提出了很大的挑戰(zhàn)。而天線制造本身也是一個難題，高數(shù)據(jù)傳輸速率要求高增益天線。通俗地說，中繼衛(wèi)星的拋物面通信天線尺寸要盡可能的大。同時，Ku/Ka波段波長小，對天線拋物面精度要求也*高。數(shù)米直徑的拋物面天線整體形面誤差要低于0.1毫米，并且要在外太空高溫差條件下長期保持這樣的精度，其難度可想而知。

所以，數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星可以稱得上是當(dāng)今技術(shù)含量的通訊衛(wèi)星。我國在去年完成代“天鏈一號”數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星體系的建設(shè)，今年進行“太空授課”實則是對自己航天測控實力的一次展示。

更為重要的是，天鏈一號的作用并不僅限于為神舟、天宮服務(wù)，它還可以為中低軌道的各類民用遙感衛(wèi)星、軍用偵察衛(wèi)星提供測控、數(shù)據(jù)中繼服務(wù)，對國民經(jīng)濟、國防建設(shè)均有巨大的促進作用。

關(guān)于中繼衛(wèi)星

跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)(簡稱中繼衛(wèi)星)，是為中、低軌道的航天器與航天器之間、航天器與地面站之間提供數(shù)據(jù)中繼、連續(xù)跟蹤與軌適測控服務(wù)的系統(tǒng)，簡稱中繼系統(tǒng)。跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)是20世紀航天測控通信技術(shù)的重大突破。其“天基”設(shè)計思想，從根本上解決了測控、通信的高覆蓋率問題，同時還解決了高速數(shù)傳和多目標測控通信等技術(shù)難題，并具有很高的經(jīng)濟效益。該系統(tǒng)使航天測控通信技術(shù)發(fā)生了性的變化，目前還在繼續(xù)向前發(fā)展，不斷地拓寬自己的應(yīng)用領(lǐng)域?，F(xiàn)在，美國與俄羅斯兩國的跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)均已進入應(yīng)用階段,正在發(fā)展后續(xù)系統(tǒng)；歐空局 和日本在這類衛(wèi)星的發(fā)展中采用了新的思路和技術(shù)途徑。我國正在積極推進研究跟蹤與數(shù)據(jù)衛(wèi)星系統(tǒng)，用于轉(zhuǎn)發(fā)地球站對中低軌道航天器的跟蹤測控信號和中繼航天器發(fā)回地面信息的地球靜止通信衛(wèi)星。

受高頻段電波的直線傳播特性和地球曲率的影響，使地面測控站跟蹤中、低軌道航天器的軌道弧段和通信時間受到限制。跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的作用，相當(dāng)于把地面的測控站升高到了地球靜止衛(wèi)星軌道高度，可居高臨下地觀測到在近地空間內(nèi)運行的大部分航天器。一顆衛(wèi)星就能觀測到大部分在近地空域內(nèi)飛行的航天器，兩顆衛(wèi)星組網(wǎng)就能基本上覆蓋整個中、低軌道的空域。因此由目前3顆衛(wèi)星和一個測控站所組成的跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，可以取代配置在各地由許多測控站構(gòu)成的航天測控網(wǎng)。

相關(guān)

中繼衛(wèi)星的主要用途

① 跟蹤、測定中低軌道衛(wèi)星：為了盡可能多地覆蓋地球表面和獲得較高的地面分辨能力，許多衛(wèi)星采用傾角大、高度低的軌道。跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星幾乎能對中、低軌道衛(wèi)星進行連續(xù)跟蹤，通過轉(zhuǎn)發(fā)它們與測控站之間的測距和多普勒頻移信息實現(xiàn)對這些衛(wèi)星軌道的測定。

② 為對地觀測衛(wèi)星實時轉(zhuǎn)發(fā)遙感、遙測數(shù)據(jù)：氣象、海洋、測地和資源等對地觀測衛(wèi)星在飛經(jīng)未設(shè)地球站的上空時，把遙感、遙測信息暫時存貯在記錄器里,而在飛經(jīng)地球站時再轉(zhuǎn)發(fā)。這種跟蹤中繼衛(wèi)星(15張)和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星能實時地把大量的遙感和遙測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)回地面。

③ 承擔(dān)航天飛機和載人飛船的通信和數(shù)據(jù)傳輸中繼業(yè)務(wù)：地面上的航天測控網(wǎng)（見航天測控和數(shù)據(jù)采集網(wǎng)）平均僅能覆蓋15%的近地軌道，航天員與地面上的航天控制直接通話和實時傳輸數(shù)據(jù)的時間有限。兩顆適當(dāng)配置的跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星能使航天飛機和載人飛船在全部飛行的85%時間內(nèi)保持與地面聯(lián)系。

④ 滿足軍事特殊需要：以往各類軍用的通信、導(dǎo)航、氣象、偵察、監(jiān)視和預(yù)警等衛(wèi)星的地面航天控制，常須通過一系列地球站和民用通信網(wǎng)進行跟蹤、測控和數(shù)據(jù)傳輸。跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星可以擺脫對絕大多數(shù)地球站的依賴，而自成一獨立的專用系統(tǒng)，更有效地為軍事服務(wù)。