研製情況
宇宙科學研究所從1982年起開展SFU的可行性研究,歷時近四年時間,由於受投資強度等眾多因素限制,使其不得不改變獨家開發的打算,改由宇宙科學研究所負責研製,由宇宙科學研究所、通產省和宇宙開發事業團三家共同投資,均享有效載荷,並於1986年5月16日成立了無人空間實驗系統研究開發機構,專門負責無人空間自由飛行器等的開發與套用。它們自1987年開始SFU的方案設計,1990年完成初樣,1992年底完成正樣,原計畫1993年發射,因H-2火箭故障,推遲到1995年發射。
設計特點
SFU有以下設計特點:
1、衛星採用標準的模組化設計。SFU共分公用艙模組(兩個形狀、規格一致的梯形結構和配置在中心圓筒上的組件盒)、推進模組(中心圓筒)和有效載荷模組(6個形狀、規格完全一致的梯形結構)。
2、不載人可重複使用,既可進行觀測、又可進行各種材料、生物科學實驗,性能鑑定,具有多種功能。
3、既可用H-2、也可用太空梭發射,為儘快送入軌道完成飛行計畫,第1、2次用美國太空梭回收,之後可改用“希望號”太空梭回收。
4、有效載荷比高,達30%(1200kg),這些儀器分別組裝在模組化、標準化、重量輕、強度高的梯型組件箱內、可按需求擴充,能滿足多用戶需求。
5、採用冗餘設計.可在軌更換軌道替換單元,即便部分部件出故障仍可完成飛行任務。
6、配備最新研製的雷射雷達,不僅可完成自動尋的、交會,捕獲,順利進行回收,還可完成衛星的高精度定向和衛星回收等多種飛行任務。
7、配備靈巧的機械臂,不僅可更換部件、交換材料,還可經遙控進行衛星回收。
有效載荷
衛星核心區周圍有6個實驗艙,外面還裝有能展開的實驗裝置。SFU首次飛行攜帶的實驗裝置有:
1.3台材料處理裝置,能加工包括先進半導體材料在內的多種材料樣品。第一個裝置是溫度梯度變化加熱爐,爐溫可達1250℃,能根據不同的材料樣品提供專門的加熱與冷卻溫度。第二台是影像加工爐,它用精密聚焦燈把樣品均勻加熱到1600℃,然後用惰性氣體迅速冷卻。第三台爐用鹵燈加熱,該燈由橢圓形鏡聚焦,可以把直徑6毫米的樣品加熱到1700℃。三台材料處理實驗爐都裝有滾動的交換機械裝置,將樣品送入和取出。
2.二維太陽陣,這個輕型太陽陣主要用於論證大規模空間輕型結構的展開研究。太陽陣為六邊形,每邊長6.4米。它是一種由有4個臂構成的能自動伸展梁架結構,是從某桿端的盒內拉出展開的。
3.高壓實驗裝置。二維太陽陣的上面覆蓋144塊太陽電池板,;高壓實驗裝置將研究空間電漿對電池的影響,以及太陽陣電池的高壓輸出電路的效用問題。
4.電推進實驗裝置,SFU載有一台肼燃料推進的磁離子體動態推進器,用於論證空間的電推進。該裝置產生的電漿溫度可達到攝氏數千度,並以極高的速度將電漿噴出,其速度要比通常火箭發動機產生的速度高許多倍。推進器輸入功率1000瓦,產生的推力能達3000萬牛頓。準備採用阻力補償計算數據評估推進器對SFU的影響。
5.電子密度實驗裝置,這個裝置包括電子密度探測器、磁力計和分光器,將研究空間電漿對SFU的影響,以及SFU的運行如何改變其後面的電漿環境。
6.生物學實驗裝置,這個裝置將載有耐高溫的蛋和其它的活生物,準備對某些樣品在軌道上發生變化時進行拍照觀察。
7.紅外望遠鏡,這個望遠鏡直徑15厘米,觀察深空中的紅外源。它浸在150升的溫度為-271℃的低溫氦中,以確保能觀察到空間的熱紅外物體。
8.輻照實驗裝置,在SFU上載有若干材料樣品,它們將獲取空間的輻射數據。SFU上的有些材料就是研製自由號空間站時日本實驗艙所要用的材料。
主要性能參數
SFU運行於軌道高度為486km、軌道傾角為28.5°的近地軌道上，軌道運行周期為90min。SFU本體是一個直徑4.7m、高2.8m的八角菱形結構(見圖4-78)，由電源、通信、數據處理、制導、推進、機構和熱控等7個分系統組成。採用標準模組化設計，三軸穩定控制方式，總質量4000kg。ISAS設計初衷是將SFU設計成一個可更換有效載荷、重複使用(5次)、總壽命為10年(每次1～2年)的空間自由行器，但實際上只飛行了1次。
SFU攜帶8種主要飛行任務儀器，包括二次展開試驗/高壓太陽電池陣試驗裝置、電漿測量裝置、電推進試驗裝置、晶體凝固與生成試驗/太空生物學試驗裝置、太空紅外望遠鏡、複合式加熱爐、聚焦加熱爐和單一式加熱爐。
關鍵技術
1.多用途的模組化設計
以宇宙科學研究所為核心的總體方案設計組充分研究了美國太陽峰年衛星、法國斯波特衛星、日本海洋觀測、地球資源衛星等模組化設計的情況,在SFU設計時不僅僅將其簡單地從形式和結構上分成幾個模組,而是充分考慮了第一、二,第三,乃至第四、第五次飛行時,飛行任務的變化與擴充,每個模組的重量、能源、載荷,甚至尺寸和容積的變化,而整個結構與基本布局、各分系統方案的構成和部件的基本類型保持相對不變,縱然有少量必須變化部分,也要保證按系列化、標準化發展。這一既定方針的有效執行,可確保技術狀態的相對穩定和模組化設計的穩定性,從而保證縮短開發周期(每兩年發射1次)和提高可靠性。
SFU的總體方案設計組不僅僅追求總體結構的模組化,還認真地考慮了分系統的功能模組、部件的組合模組、軟體模組以及各模組間的機械、電氣和信息數據接日的模組化,以適應不同飛行任務時模組的組合,使測試、測控乃至在地面操作也都實現標準化、系列化。
2.輕型,高強度構體和輕型整體組件箱
空間飛行器裝置衛星SFU構體和組件箱設計時既考慮要儘量減輕重量增加有效載荷、又考慮必須經受住發射和回收時的強烈振動、衝擊等諸多因素,所以在總體設計時進行了大量的計算、試驗,通過優選法確定所用材料不僅保證重量輕、強度高,還保證可重複使用,因此採取骨架連結和在整體刮面增加加強肋的方法。
SFU的主構體由碳纖維增強塑膠(CFRP)與鈦(Ti)合金鍊桿構架和十字梁組成,這些構架和梁是利用螺栓固定在鈦合金的節點上。而搭載儀器用的儀器板、散熱器支架、外殼支架則採用鋁(Al)材料。圖3為SFU構體分類和各類構體所採用的材料。
SFU共有三種組件箱:分別用來搭載有效載荷(PLU)、專用有效載荷(SPLU)和搭載公用艙(BSU)。採用蜂窩式夾層結構,構件採用鋁合金以整體刮面加工,採用安全度高的冗餘設計。如可搭載150kg儀器的PLU/SPLU主儀器箱用帶凸緣安裝並加有加強肋,以增強外面部彎曲剛性、減輕重量;可搭載250kg儀器的BSU全部採用鋁合金整體刮面結構,重量僅75kg。
經開發試驗、靜負荷、質量特性、正弦波振動、安全試驗、系統聯試、性能驗證等多種試驗,證實這種構體充分滿足了設計要求。
3、SFU的軌道高度、軌道傾角決定它每天飛經宇宙科學研究所內芝浦和宇宙開發事業團沖繩兩個地球站次數很少,僅4、5次,每次的可觀測時間又很短,僅10分鐘。為提高SFU的測軌和控制精度,提高可靠性,宇宙科學研究所決定利用其本身搭載的各種敏感器和執行機構、電子線路、計算機進行自主控制。
為提高控制系統的可靠性,採用雙重冗餘和三重冗餘設計。利用粗太陽敏感器、精太陽敏感器和地球敏感器完成基準姿態檢測,為滿足紅外望遠鏡等觀測儀器的高精度觀測要求,在姿態控制敏感器中還配備了日本電氣和宇宙科學研究所研製的高精度星敏感器,此外還配備了新研製的慣性基準單元(IRU)。
SFU在三軸方向上安裝了反作用飛輪,使其保持在規定的正常運行狀態。而飛輪卸載主要利用磁力矩器,在必要情況下還可利用推力器(RCS)卸載,也可利用飛輪和推力器聯合進行控制。
空間飛行器裝置衛星SFU上載有高可靠性的容錯計算機,不僅可進行高精度的姿態控制,還可通過推力器實現精確的軌道控制,利用全球定位系統(GPS)所提供的測距信息獨立確軌,校正IMU的計算偏差。精確的軌道控制可確保SFU有效地完成各種觀測、實驗任務,也可確保SFU從500km的運行軌道下降到315km的太空梭回收軌道,順利的完成回收,由太空梭送回地面。
圖4給出全自主式制導、導航、控制系統方塊圖,表1給出SFU的軌道和姿態控制精度指標。為進一步提高系統可靠性,宇宙科學研究所制定了一種通常情況下由地球站監視SFU的整個穩態運行狀況,當出現故障以及其它緊急狀況和回收時,可根據軌道和姿態確定系統以及地球站所發的指令在地球站確軌,以保證SFU完成正常的飛行任務和支援太空梭回收並獲得成功。
空間飛行器裝置衛星4、開發高可靠性的GNC電子線路組件,具備自主地執行故障檢測、故障隔離、結構重建、恢復等功能
三菱電機鎌倉製作所和宇宙科學研究所共同研製的GNC電子線路是GNC系統的關鍵部件,而這一部件的核心是計算機。它由兩部分——由宇宙科學研究所自行研製的門陣列CPU-1和採用80C86的多CPU的CPU-2(80C86)組成。
CPU-1和CPU-2均備有故障檢測電路,通過這一檢測電路,可實時地對地址、監視計時器、時序,糾錯碼等進行故障檢測。CPU-1為主CPU,主要承擔模式管理、姿態控制為主的多項管理業務;CPU-2主要承擔制導與控制有關的各項處理業務。通過CPU分級合理的分解各項業務,可以大幅度地提高軟體的開發效率,在運行過程中一旦出現故障即刻就可很容易地實現故障隔離。
另外,在接口部分也配備了故障檢測電路,對敏感器的數據異常,電源異常,計算機硬體和軟體異常等均可實時快速地進行檢測。
因此,SFU的這種GNC電子線路(GNCC)是具備憑藉計算機等確定軌道位置、進行軌道控制和功能冗餘為核心,可自主地執行故障檢測、故障隔離、結構重建、恢復等的具有世界先進水平的航天用計算機。圖弓為其結構方塊圖。它具有以下功能:
(1)敏感器的數據處理;
(2)執行機構的數據處理;
(3)遙測指令處理;
(4)GNC系統元件的開/關;
(5)與導航功能有關的各項處理業務;
(6)一與制導控制功能有關的各項處理業務。其主要特點是
(i)可由其它部件代替出故障的部件,具備自主地執行故障檢測、故障分離、結構重建和功能恢復等功能,即根據出故障情況,使出故障部分與系統分離後完成系統重建,以防止由於出故障影響整個系統,乃至無法執行飛行任務。這樣,才可克服飛經日本的次數少,日本本土地球站少、觀測視場範圍小、觀測時間短,不利跟蹤、觀測和控制等諸多不利因素,實現自主運行。
(ii)可根據GPS接收機和加速度計提供的數據,由搭載計算機確定軌道位置和進行軌道控制。
(iii)CPU-1具備在軌再編程式功能,以滿足在軌完成多種實驗以及觀測任務而對姿態控制精度和運行控制方面的要求。
試驗成果
SFU在軌運行期間利用二次展開試驗/高壓太陽電池陣試驗裝置採用太陽翼展開收攏法成功地進行了260V的高壓發電；利用電漿測量裝置獲取了在ISS建成後計畫運行的軌道上的等離子環境數據；利用電推進試驗裝置獲得了電漿干擾狀態下推進劑可產生的電磁推力；利用晶體凝固與生成實驗/太空生物學實驗裝置清晰地觀察到了在微重力環境下有機物沿單一方向的凝固過程/紅腹蠑螈產卵發育過程；利用太空紅外望遠鏡觀測銀河系之外的光和星之間的氣體、塵埃和紅外輻射狀況；在成功地控制微重力環境下，完成了晶體生成實驗，獲得了高潔淨度的晶體；利用鹵燈鏡面反射爐進行了半導體晶體生成實驗，得到了高潔淨度的半導體晶體；利用溫度分布均勻的加熱爐採用迅速冷卻方式完成了單晶生成實驗，得到了高純度的單品矽。
此外，衛星還通過流體在太空的循環運動獲取了流體流動的基礎數據，掌握了二氯二氟甲烷製冷劑在太空的熱傳導等特性，驗證了熱控方法；通過軌道替換單元在軌工作，不僅掌握了其功能、性能，還確認它可長期在軌工作及其固體潤滑性能；將各種材料暴露在太空環境下，獲取了這些材料在太空惡劣環境下長達1年時間裡的性能退化數據；利用加速度感測器測量了微重力環境，並確認實驗儀器艙可提供良好的微重力環境；配合電漿現場觀測技術進行了氣相生成基礎實驗，生成了金剛石薄膜，獲得了氣相生成技術等重要數據。
