实践5号卫星

简介

实践五号卫星于1999年5月10日发射升空。到8月8日，已经完成其在轨90天的科学试验使命。卫星状态良好，中国空间技术研究院正在利用其寿命潜力开展平台技术试验。卫星用户为中国科学院，卫星研制通过招标，由中国空间技术研究院负责实施。实践五号卫星发射成功，意味着中国空间技术研究院开发的CAST968小卫星平台的推出和应用。这也是中国空间技术研究院考虑到现代小卫星市场需求，不失时机地抓准实践五号卫星研制的机会，开展小公用平台技术研究的重要途径。

实践五号卫星是中国第一颗采用公平台思想设计的小型科学实验卫星，主要用来进行空间单粒子效应及对策研究、空间流体科学试验、S波段市速数传发射机及大容量因态存储器在轨试验和平台技术试验。

结构特点

实践五号卫星整星构型呈六面体形式，尺寸为1.2m×1.1m×1.04m。为了适应运载限制包络，星体顶部切掉两个棱边。星体底部是对接环，用以实现与运载的对接。星体两侧布放两翼太阳电池阵，收拢状态最大直径1.789m，高度1.04m。卫星与运载是通过包带进行连接，包带直径660mm。

任务

进行空间单粒子测量及其对策研究和空间带电粒子环境与剂量的测量；对航天器S波段高速数传发射机及大容量固态存储器进行在轨试验；进行流体科学实验。

实践五号卫星任务有效载荷包括三部分：空间环境测量有3台设备，分别用于测量空间电子、质子及重粒子和星内外辐射计量；单粒子效应及对策研究试验有5台设备，分别进行单粒子事件检测、单粒子屏蔽效应、单粒子事件翻转、单粒子事件综合效应和单粒子锁定等试验；空间微重力试验为两个液池，分别进行微重力和低重力环境下的流体对流试验。在进行上述试验的同时，兼顾进行新型航天器的技术试验。由于卫星是采用公用平台思想开发的，该任务的完成意味着小卫星公用平台的建立。

实践五号卫星平台由8个分系统组成，分别为结构与机构、热控、姿控、电源、测控、天线、星务管理、总体电路分系统。

卫星在设计上充分采用了计算机技术，整星由星务分系统的中心计算机进行统一资源管理，在遥控单元、遥测单元及姿控、电源和总体电路分系统中均设有下位机，形成主从式工作方式。

卫星有3种控制模式，第1种是对日定向三轴稳定，以满足流体科学试验10-4g微重力要求；第2种是对日定向自旋稳定模式，以满足流体科学试验第二工况和单粒子试验的要求；第3种是利用冷气、偏置动量轮建立和保持对地定向三轴稳定，进行小卫星公用平台技术试验。

星上电源采用太阳电池阵与CdNi电池组联合供电方案。测控采用S波段体制。热控以被动控制为主，主动为辅的方案。卫星结构除对接环、顶板外，全部采用铝蜂窝、铝蒙皮形式。

中国在“实践五号”（SJ－5）卫星上首次应用并通过考验的星务管理系统，是实现卫星运行管理、自主控制、信息传送以及星地大回路操作的综合自动化系统。它是由计算机网络来协调、控制星上各种功能部件的相互联系，完成包括信息流、动作流、能量流的动态作业所形成的一种星载柔性服务系统。它具备有如下主要技术创新点：构成整星多级控制；引入内嵌式管理执行单元；星上现场网络技术；构造硬件和软件的封装技术；利用商用实时多任务操作系统；兼容型份包遥测技术；复合型遥控和遥操作实现技术；信息多路径的冗余备份和系统重构技术；测试床技术；分级整体辐射加固技术。星务系统的应用既提高了整星自治能力。自动化和智能化水平，又分散了整星失误风险。从而，提高了整星级可靠性和运行功能的有效性。

平台由结构、热控、姿控、电源、测控、星务管理等部分组成。
　　平台基本结构同实践五号,为一扁正方体：1.1m×1.2m×0.5m。根据轨道及功率要求，太阳电池阵可采用固定或驱动帆板，或部分体装的外部结构。平台顶部安装有效载荷，其尺寸根据有效载荷具体要求确定。由于平台与有效载荷分舱设计，摆脱了有效载荷对平台的束缚，使得平台适应能力更强。
　　帆板式太阳电池阵发射时可收拢在星体外侧，星体外壁本身也可以作为电池阵一部分，因此平台的电池阵可以是体装式、固定帆板式、单轴或双轴驱动帆板形式。太阳电池阵压紧方式采用专门为适应小帆板研制的压紧带机构。
　　考虑到变轨等对小卫星星座的适应性，在平台内部装有肼推进系统。对变轨要求大的卫星，在平台底部可增加单独的推进舱，既满足轨道调整能力要求，又对平台结构影响较小。
　　卫星在设计上充分利用了计算机技术，整星由星务管理分系统的中心计算机进行统一资源管理，各分系统设置星务管理执行单元，形成主从式工作方式。星务管理执行单元可完成星上任务模块的监测、控制、供电和保护等诸多功能，它与计算机联网，受计算机控制，赋予不同的任务模块，可完成不同的任务，因此可以实现可变结构的测量任务、控制任务、供电任务和保护任务，从而达到智能化的星务管理目的。由于采用计算机技术，整星的遥控指令、遥测路数等均具有很强的扩展能力，同时具有数据存储能力。

实践五号卫星发射成功后，1999年5月10日至11日进行了在轨测试，5月12日至19日进行了流体科学实验。在这一阶段流体两相流液池连续开机，经过北京站时S波段发射机开机将流体图像和科学数据传回地面，其它有效载荷关机。5月20日以后进入空间环境实验阶段。在这一阶段流体两相流液池关机，5台单粒子研究的仪器和3台空间带电粒子环境探测仪器连续开机，大容量存储器开机，经过北京站时S波段发射机开机将大容量存储器数据传回地面。试验主要成果如下：

在两个阶段8天的时间里，进行了33次空间流体科学实验，获得流体运动图像12000余幅，温度记录曲线近30小时，圆满地完成了各项科学实验任务。初步分析得到流谱图和液池内的速度场分布，以及微重力条件下定常流和非定常流的对比图像。

多层热毛细对流是国际微重力流体科学研究的前沿课题之一，不仅对发展和改善空间晶体材料生长方法和晶体品质有现实意义，并且对深入认识地面上具有自由面或界面的流体对流运动的特征和机理等流体物理领域的基础问题有重要意义。此次试验是中国首次空间微重力流体科学实验，实验中首次成功地应用了遥科学手段。实验中观测到了低重力条件下的热毛细对流与浮力对流的耦合现象和大量未知的现象，对这些现象和规律的研究必将推动中国流体物理学的发展。

这次微重力流体科学实验在中国是第一次，在世界上也是首次在卫星上实现如此复杂的微重力流体力学实验。

验证了分布式数据管理系统、1553B总线、CCSDS数据传输标准、高速多路复接技术、现场可编程门阵列（FPGA）技术、DRAM固态大容量存储器、S波段数传发射机等新技术能够适应于太阳同步轨道的空间环境。但是无论SRAM还是DRAM都会因单粒子事件而发生翻转，硬件和软件设计中必须充分考虑到这一问题，采取必要的防范措施，否则将影响电子仪器在空间环境中的正常运行。

主要进行了空间电子、质子、高能粒子及星内辐射计量测量。通过对实践五号卫星探测数据的处理和分析，得到以下结论：

(1)在这个轨道上辐射总剂量引起的故障不严重，约为1~2rad（Si）/天，而一般器件耐辐射剂量为5krad（Si）以上。

(2)单粒子引起的锁定是很危险的，但在这一轨道上发生单粒子锁定的概率很小。在这一轨道上80C86和80C31CPU中的寄存器发生单粒子翻转事件的概率也是很小的。实践五号卫星至今尚未检测到这类事件。

(3)在这个轨道上单粒子翻转发生概率：

SRAM约为0.5~4次/(Mb·天)

DRAM约为0.2~1次/(Mb·天)

(4)屏蔽可以减少单粒子翻转的概率，但不能完全避免单粒子翻转。

(5)纠错编码对克服单粒子翻转引起的错误有效，星载计算机硬件和软件设计上，必须充分考虑单粒子引起的翻转的影响。采用硬件和软件EDAC的容错设计，是避免单粒子翻转效应的有效方法。

(6)单粒子翻转发生概率与太阳质子事件有正相关关系，通过空间环境观测与预报，使一些重要航天器避开较强的太阳质子事件是减少空间飞行器故障的有效办法。

(7)工业级或商业级器件有可能在空间环境下可靠运行，但必须经过严格而有效的筛选。

实践五号是紧紧围绕建立小卫星公用平台思想开发的小卫星，为建立小卫星公用平台，设计上采用了许多新技术。主要成果如下：

(1)公用平台思想得到体现。设计伊始提出平台应为可裁剪的方案，并通过型号研制滚动性提高能力。因此整星在设计上均留有较好的可扩展、可裁剪的接口。首先为了建立小卫星公用平台，实践五号卫星在构型设计上采用平台和有效载荷分舱布放的原则，它不因有效载荷的变化引起平台构型的重大变动。另外，在结构设计上，虽然实践五号卫星当初提出的重量为350kg，但设计是按500kg考虑。它在系统配置上形成可裁剪的组合模式，以适应不同任务对卫星的要求。先进的星务管理系统增强了平台对各类有效载荷遥测、遥控及数据管理的适应能力，同时具有很强的可扩充能力。

(2)全铝蜂窝板式卫星主结构经受住了考验。除对接环及顶板外，卫星结构全部采用铝蜂窝、铝蒙皮板。星体内部长隔板既是仪器安装板，又是主承力结构，这不同于传统的卫星需要单独的承力结构，可提高卫星结构的利用效率。整星试验证明这种结构形式具有很好的阻尼特性。

(3)立足全星集成设计的崭新星务管理技术得到充分验证。卫星采用二级分布式拓扑结构执行全星的业务管理——星务管理。其上层为双冗余的中心计算机，进行全星资源管理与控制，下层为若干规范化的智能管理执行单元（在各分系统设备中的内嵌式下位机），各单元采用具有统一标准通信接口协议和数据通信格式的网络接口，与中心计算机形成主从式工作模式。它可完成遥控与数据管理、遥测数据采集与处理、程控指令提供、时间校时、温控参数采集与控制、数据处理及分配管理等多项任务。这种采用标准通信协议，利用网络进行星上各类信息传递的方法，提高了工作效率。

(4)多模式姿态控制系统得到验证。为完成科学试验任务，实践五号卫星设计成对日三轴和对日自旋稳定模式；考虑对地三轴稳定模式应用范围广，在科学试验任务完成后，一个重要的平台技术试验项目就是对地定向三轴稳定。卫星从对日转向对地定向的大角度姿态机动已得到很好验证，在对地定向试验中最好姿态控制精度接近0.30。

(5)中国国内S波段测控首先在轨应用。实践五号卫星是中国第1颗在轨使用S波段测控体制进行测控的卫星。其使用不但对卫星有意义，同时为国内正在建设的S波段地面测控网提供了很好的演练机会。

(6)各类高新、商用器件得到在轨验证，并有待作进一步的考核。从新技术验证出发，卫星设计上部分项目采用了新技术、工业级器件，其中以姿控分系统80386EX、PC104计算机为代表，这是中国卫星上使用的最高档次计算机芯片。

(7)偏置动量轮加磁控的姿态控制技术取得宝贵经验。作为中国国内首次采用偏置动量轮、磁力矩器、磁强计组合姿态控制的技术在轨进行了很好的演练，达到预期目的。

(8)小型电池阵压紧机构得到首次成功应用。太阳电池阵压紧、释放机构完全是一种新型、为小卫星研制的机构。卫星入轨后太阳电池阵顺利展开，证实了这种技术已经开始走向应用。

(9)带翼热管使用效果明显。通过增大热管与仪器安装板的接触面积，提高了热传导效率。这是中国卫星上首次使用这种技术。在轨数据表明星内环境稳定均衡，热管起了很好作用。