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天宫二号发射两周年:太空实验大管家

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有效载荷运控中心。中科院供图

天宫二号空间实验室除了验证航天员中期在轨驻留,安排了14项体现国际科学前沿和高新技术发展方向的物理学前沿科学、空间科学实验、空间应用与技术技术试验,共计51件载荷设备,是目前我国载人航天工程历次任务中开展应用项目最多、最繁忙的一次任务。


那么,天宫二号的在轨运行安全要如何保障,这些太空实验和新技术验证是如何在几百公里的太空顺利开展,大量宝贵的科学数据又是怎样更好地为科学研究服务的?


“我们有效载荷运控中心就像太空实验大管家一样,负责规划安排载荷工作窗口,控制载荷在轨运行,监视载荷健康状态,及时响应应急情况,确保太空各项实(试)验万无一失,同时也为科学家提供数据处理与共享发布服务,支持各项科学研究有效开展。”中国科学院空间应用工程与技术中心有效载荷运控中心主任郭丽丽说,“能作为‘太空实验大管家’,我们感到无比荣耀”。


作为连接起科学家与空间科学实验、技术试验的桥梁和纽带,至今为止,有效载荷运控中心值守天宫二号空间实验室上的各项科学实(试)验700多天,安排任务2万余次,控制指令10万余条,获取的数据有几百TB,目前整个载荷状态良好,取得了丰富科学和应用结果。


为了保障各类实(试)验有序、高效开展,运控中心自主研发了一套非常先进的地面支持系统。例如,天宫二号的各类科学实验、技术试验的项目多、领域广、设备多,却共用了空间实验室上各类资源。因此,合理安排时间窗口,最优化调配资源和消解冲突就十分重要。


运控中心基于人工智能技术,研发了一套任务规划系统,它能够像人类的“大脑”一样,去合理安排、控制载荷的工作,让这个复杂的空间实验室能够做到忙而不乱。


有了地面上的“大管家”,天宫二号各类载荷的运行是否就可以高枕无忧了呢?非也。


2014年1月,太阳耀斑导致国际空间站货运飞船对接计划推迟;2018年4月,天宫一号受轨道大气阻力影响,再入时间和地点引发热议;2018年8月,国际空间站漏气,管理人员和专家一度怀疑是陨石撞击造成。


“这些案例告诉我们,太空并不是大家想象的真空。”中科院国家空间科学中心研究员张贤国说,“像太阳耀斑、轨道大气、陨石碎片这些空间环境因素,都会影响航天器的运行安全;空间的高能带电粒子可以导致DNA键断裂,直接威胁着宇航员的健康乃至生命。”


对应于我国载人航天工程三步走,天宫二号的空间环境探测任务主要是探测高能粒子、轨道大气,保宇航员安全和交会对接成功。科研人员对空间环境和物理探测分系统进行了改进,小型化、综合化的基础上实现了技术指标的大幅提升。


尤其是前段时间,天宫二号降轨到了300公里的高度,为科研人员获取宝贵的科学数据提供了一次绝佳机会。


“300公里轨道被称为临界轨道,在此高度以下,空气阻力很大,航天器的在轨寿命非常短,因此这个轨道上的数据就显得非常稀有。”张贤国说。


例如,在南大西洋的上空,存在着一个磁场异常区域,这里高能粒子富集,很多低地球轨道卫星路过这里的时候经常会发生故障,堪称低轨道卫星的“噩梦区域”。此前人们关于这一区域的三维分布只有理论计算,从未有过实测结果。


此次天宫二号的降轨,让科研人员取得了最接近该异常区下边界的探测结果,为该区域的三维建模起到了不可替代的作用。张贤国相信,随着数据日趋完善,卫星就可以更加精准地规避这个区域,避免更多故障的发生。


来源:科学网 / 丁佳

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