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火星探测关键设备,国家天文台70米天线反射体吊装成功

2020-04-27 15:10:25

据“中国科学院国家天文台”公众号4月27日消息,在第五个“中国航天日”上,备受关注的中国行星探测任务被命名为“天问(Tianwen)系列”,首次火星探测任务被命名为“天问一号”。

根据计划,2020年我国将实施首次火星探测任务,目标是通过一次发射任务,实现火星环绕和着陆巡视,开展火星全球性和综合性探测,并对火星表面重点地区进行巡视勘查。

为了实现我国首次火星探测工程来自4亿公里距离之遥微弱信号的数据接收,中国科学院国家天文台在天津武清站新建了70米高性能接收天线(GRAS-4),它是亚洲最大的单口径全可动天线,是完成我国火星探测器科学数据接收任务的关键设备。

4月25日,由中国科学院国家天文台承建的首次火星探测工程地面应用系统在天津武清站成功实施完成了70天线反射体的整体吊装。

问:为什么会选择火星做为中国行星探测的第一站?

李春来:火星是在太阳系中距离地球较近、自然环境与地球最为类似的行星之一,一直以来都是人类深空探测的热点。从1961年以来至今,已实施的火星探测活动已经达到45次,但成功和部分成功的任务一共仅有22次。可以说,除月球之外,火星是最受关注的天体。

中国首次自主火星探测不仅在于探究火星生命的存在和演化过程等问题,更可以借此了解地球的演化历史和预测地球的未来变化趋势,同时也为人类开辟新的生存空间寻找潜在的目标。探测和研究火星,最终目的是为了地球和人类,是为人类社会的可持续发展服务。

按照计划,“天问一号”火星探测任务要一次性完成“绕、落、巡”三大任务,这也标志着我国行星探测的大幕正式拉开。

问:火星探测数据的接收和此前探月数据的接收相比,难在哪?为什么要建这个70米的大天线?

李春来:月球与地球的距离约为36~40万千米,而火星距离地球为5600万~4亿千米,地火最远距离约为地月距离的1000倍。发射信号的衰减与距离的平方成正比,相同发射功率的信号到达地球将非常微弱,而增大地面接收天线的口径,也就是接收面积,是提高信号信噪比的基本途径。

火星探测对数据接收任务来说是一项严峻的挑战,从火星来的信号衰减非常厉害,信号非常弱,没有这个大口径的天线,就不能完成数据接收的任务。我们在最远的时候,很可能还得加上密云的50米天线和40米天线,以及昆明的40米天线,四个天线同时接收数据,然后进行信号合成,才能完成火星探测数据的接收任务。

问:请您简要介绍下新建设的70米天线的基本情况,它有哪些技术亮点和“超能力”?

李春来:70米天线为轮轨式全可动卡塞格伦天线,工作频段为S、X和Ku, 总重约2700吨,高72米,主反射面直径70米,由16圈共1328块高精度的实面板组成,面积相当于9个篮球场大小。

70米天线采用了很多新的技术,比如说伞性结构反射体支撑,这个反射体重、大,光反射体就达450吨,把这么大的反射体撑起来,我们采用了整体吊装的形式;再如,提高数据接收效率方面,我们采用了主副反射面修正赋型技术和多频段组合设计技术,在提高天线效率(X频段10度仰角以上天线效率达到60%)的同时降低了旁瓣电平,减少了系统噪声,提高了抗干扰能力。70米天线于2018年10月开工建设,计划于2020年竣工验收。

GRAS-4天线建成后的效果图

问:70米大天线于2018年开工建设至今,最大的挑战是什么?如何解决的?

李春来:口径大、工期紧,从开工到验收在短短不到两年内完成,对于全国甚至亚洲最大的全可动天线来说是不可想象的。

为了解决好这些问题,我们结合大天线施工的关键技术,建立了施工技术和进度管理紧密结合的管理体系,将天线基础建设与天线研制并行工作:合理规划现场安装和集成的计划安排,调整天线现场施工工艺,通过并行工艺尽可能缩短现场安装时间;天线反射体采用整体吊装方案,与天线座架并行施工;俯仰框架地面拼装、整体吊装;天线伺服设备提前进场,与天线结构后期同步施工。

问:整体吊装完成,意味着火星数据接收天线进展到哪一步了?接下来还要做哪些工作?

李春来:整体吊装完成意味着天线主题结构的基本完成。但吊装完成后还有大量的工作需要做,后续将进一步完成外围6圈剩余面板的铺设,以及伺服系统、馈源网络和制冷接收机等设备的安装;还要进行一定时间的系统调试、校准和试运行,才能具备执行任务的能力。

预计到2020年10月,70米大天线能完全具备火星探测的数据接收能力。

GRAS-4天线与火星探测器数传通信示意图

问:70米大天线除能接收火星探测的数据外,是否还能接收其他行星或其他深空探测的数据?对未来我国深空探测有怎样的意义?

李春来:可以,天线是通用设备,一个70米天线相当于3个40米天线,但如果频段或数据模式不同,则需要安装相应频段的接收机和解调设备。

70米天线建成后,将成为亚洲最大的单口径全可动天线,能够大幅度提高我国深空探测下行数据的接收能力,为完成我国首次火星探测工程任务以及后续的小行星、彗星等深空探测提供坚实基础。

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来源:观察者网 | 责任编辑:连政
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