2008年8月21日,是北京空间机电研究所成立50周年的日子。50年来,北京空间机电研究所先后自主研制并成功发射了58台业务运行光学遥感器,成功回收了6艘神舟飞船返回舱,创造了中国航天技术发展史上的多个第一,树立了航天光学遥感、航天器返回与着陆和航天器复合材料成型三大空间技术丰碑,取得了300多项重要科研成果,多项
北京空间机电研究所隶属于中国空间技术研究院,是中国从事航天光学遥感、航天器回收与着陆、航天器复合材料成型等专业技术探索与研究的核心单位,是中国航天光学遥感器的主要研制基地,是国内唯一从事航天器回收与着陆系统研制的研究单位。
实现回收与着陆技术新跨越
航天器回收与着陆技术是指利用可展开式气动减速装置,使需要回收的有效载荷减速,直至按预定的程序和目的安全着陆和收回的技术。研究所航天器回收与着陆技术经历50年发展,目前已成为我国航天领域的四大先进技术之一,跻身于世界前列。
50年来,北京空间机电研究所的发展经历了四个阶段。第一阶段是探空火箭的回收。1959年7月10日,研究所提出T7M探空火箭研制任务,以此探索液体探空火箭研制的技术途径。
1960年4月17日,T7M-003火箭发射升空,在弹道顶点附近火箭头体分离,降落伞张开,箭体乘降落伞成功降落在东海之滨,这是我国航天器回收着陆历史上的首次成功,揭开了我国空间探测活动的序幕。
1966年发射的两枚T―7A火箭,成功实现了中国首批次小狗上天的回收与着陆任务。
国防装备大型实验数据舱回收属于第二阶段。在我国国防装备大型实验数据舱回收系统研制中,为了摸清有效载荷再入大气层过程中的各种情况,需要对再入段进行实时的测量,这些参数的获得一般通过遥测方法就可以实现。可是当再入速度达到马赫数10,有时甚至更快时,与周围空气摩擦产生的温度可以达到摄氏千度以上,这样就会造成空气发生电离,形成电子壳屏蔽,使无线电信号发不出来,这就是所谓“黑障”现象。在当时遥测方法无法解决的情况下,必须将这一段的数据先贮存在有效载荷的数据舱磁带中,在着地前,将数据舱弹出,对其实施减速并进行回收,然后通过回收磁带的方式获取数据。研究所承担了此项艰巨的任务,先后参加38次发射,为我国的国防装备大型实验及研制做出了重大贡献。
返回式卫星的回收属于跨越的第三步。科学实验卫星回收系统是研究所研制的第一个卫星回收系统。在该系统的研制与试验中,科研人员经过大量的理论分析计算、地面试验和风洞试验验证,解决了降落伞、时间机构、真空润滑等多项关键技术,1976年12月10日,首次成功完成科学实验卫星回收舱的回收任务。
从1968年起,研究所开始进行卫星回收与着陆系统的研制工作,先后完成了6个型号回收系统的研制,参加了24次发射飞行试验,成功率达100%,使我国成为世界上第三个实现卫星回收的国家。
载人飞船回收属于上水平的第四阶段。飞船回收与着陆系统与其他航天器回收系统存在很大的不同,研究所在技术方面取得了重大突破:首次采用计算机控制技术,提高了回收着陆程序控制的可靠性;首次采用非电传爆式装置来实现火工装置点火,提高点火同步性;首次采用智能式程序控制方案,可适应多轨道的回收;首次运用缓冲火箭进一步对着陆载体进一步减速,其着陆速度达到规定技术指标,其瞬时着陆速度是目前最小的。
飞船回收系统从1992年正式立项至今,研究所已完成了神舟飞船6次发射飞行试验的回收着陆任务。1999年11月20日,研究所参加神舟一号无人试验飞船的首次发射飞行试验,飞船按预定飞行程序,在轨运行1天后,于21日成功地降落在内蒙古着陆场,回收着陆系统首次圆满地完成了飞船回收与着陆任务。神舟五号是我国首次载人飞行试验,于2003年10月15日发射升空,飞船按预定计划,飞行1天后,于16日成功返回地面,返回舱载着航天员在预定的着陆区安全地着陆,圆了中华民族的飞天梦想。
实现航天光学遥感技术新突破
航天光学遥感技术是卫星光学有效载荷研究、设计、制造、试验、管理和运行的工程技术,涉及到光学、热学、结构等专业技术领域,是综合性工程技术。研究所从1967年开始航天光学遥感技术研究,先后自主研制并成功发射的业务运行光学遥感器,分别装备于返回式卫星、遥感卫星、资源卫星等应用卫星上,所获取的极具价值的信息资料广泛应用于国土普查、资源开发、环境监测等领域。
我国的第一代胶片型航天光学遥感相机是以北京空间机电研究所为主研制的,历时9年,先后攻克了空间对地面目标照相和定位、适应恶劣的力学和空间环境等一系列关键技术,于1975年11月成功发射,并顺利返回地面,这一成就使我国成为世界上第三个独立掌握空间光学遥感技术的国家。
1979年,研究所开始研制第一代国土普查和地图测绘卫星有效载荷。研究所自1987年卫星首次发射至1993年,先后共发射5颗星。测绘质量和定位精度达到世界同类有效载荷的同等水平,所获取到的恒星等级达到8等星。
总结第一代航天遥感有效载荷成功上天的经验,研究所针对有效载荷倒盘中止、遮光罩弹射装置可靠性等技术薄弱环节,开展深入研究,进行技术创新,展开第二代航天遥感有效载荷的研制。通过优化光学系统设计,突破了大幅度提高有效载荷分辨率的关键技术;巧妙地设计了截柱式凸轮移动镜头,突破了精确像移补偿技术。第二代航天遥感有效载荷分辨率高,被应用于科学试验卫星,从1992年8月首次发射到1996年,共发射3颗卫星,均获得成功。同比第一代遥感有效载荷,分辨率提高了三倍,使我国的地观测卫星技术达到同时期同类卫星的国际先进水平。
资源一号卫星是中国与巴西共同联合研制的资源传输型地球卫星。多光谱CCD相机和红外多光谱扫描仪是该卫星的两个重要有效载荷,均由北京空间机电研究所负责研制。资源一号卫星CCD相机是我国第一台多光谱线阵推扫式航天光学遥感相机,1986年7月启动研制,研究所突破了多片CCD器件精密拼接、光谱定标、辐射定标等多项关键技术。
红外多光谱扫描仪是研究所为资源一号卫星研制的另外一个重要有效载荷,该载荷采用双向线性摆动方案实现多谱段扫描成像,是集光、机、电、热、探测器、辐射制冷和微电子等各种先进技术为一体的航天光学遥感器。1999年10月,装载有多光谱CCD相机和红外多光谱扫描仪的资源一号卫星首发成功。其后又相继成功发射了第二颗、第三颗资源一号卫星。
研究所研制成功的资源后续卫星对地观测有效载荷,紧跟当时国际前沿,突破了光学反射镜轻量化技术、大口径/长焦距光学系统的精密定心及装调技术、大尺寸反射镜的低应力装卡及固定技术等一系列关键技术,于2000年首发成功,2002年、2004年又先后成功发射多台有效载荷,卫星组网成功。
经过光学温度自补偿、多镜头光学配准以及高速低噪声焦面等多项关键技术攻关,研究所研制的四波段CCD海洋成像仪于2002年5月成功发射,结束了我国没有海洋卫星的历史。
面对空间光学有效载荷的发展新趋势,研究所于1991年在国内率先开展了轻小型空间光学有效载荷技术研究,突破了多项关键技术并研制成功工程样机。该样机综合指标国内领先,并达到国际同类相机先进水平。
复合材料成型技术成就斐然
复合材料成型技术是由两种或两种以上的材料按照特定的成型工艺方法,在一定的工艺参数下固化成型制造出结构产品的技术。50年来,研究所先后为我国卫星、火箭、宇宙飞船等提供了各种复合材料轻质结构件,开创了航天器新型结构研制的先锋。
上世纪60年代中期,研究所成功完成了我国实验通信卫星直径2.1米太阳电池圆筒壳的研制任务,该太阳电池壳成功上天运行,成为我国卫星上第一个大尺寸的复合材料结构件。研究所经过液氢―液氧箱蜂窝共底等多项关键技术攻关,为我国新一代“长征三号”运载火箭生产了十多套复合材料产品,节省重量200多公斤,创造了复合材料成型技术的奇迹。
上世纪70年代末,研究所开展了以碳纤维复合材料为代表的先进复合材料技术研究,成功研制了第一个卫星太阳电池基板,第一个碳纤维复合材料抛物面天线和支架。先后为风云气象卫星、导航、资源卫星提供了复杂的天线结构件、卫星舱段结构板、承力筒等复合材料结构件。
开展空间遥感相机复合材料结构成型技术研究是研究所专业技术发展的新阶段。空间遥感相机类结构,除了具有一般卫星结构的各种性能要求外,还特别要求结构的热物理性能匹配性好、尺寸精度高、空间放气性更小等。在结构设计、材料设计、成型工艺等方面都有特殊要求。研究所研制的复合材料镜筒和支架是国内空间遥感相机上首次使用的新型结构件,与原来的金属结构件相比减重30%左右。
当前,中国航天事业迎来了新的发展机遇,航天光学遥感和航天器返回与着陆任务空前繁重,研究所面临着新的挑战。使命在肩,研究所将以十七大精神为指导,以航天科技工业新体系建设战略为行动纲领,继续保持航天器回收与着陆技术在国内领先地位并达到国际先进水平,向深空进军,开发火星探测等各种新型着陆技术,瞄准近空间领域;积极开展国家973项目对地观测前沿技术研究,结合国家高分对地观测专项,全面开展新型光学遥感技术研究,实现空间光学遥感器技术的新跨越,肩负起推动航天大国向航天强国迈进和建设创新型国家的历史责任。
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