「天宮二號」科普來了（九）：「太空天氣警報員」：空間環境分系統

「天宮二號」空間實驗室安排了地球科學觀測及應用、空間科學實驗及探測、應用新技術等領域的十餘項高精尖的任務，這些實驗有的是在探索宇宙最深處的奧秘，有的是幫助人們更好的認識海洋和大氣，有的甚至是在解決將來星際旅行時食物的問題…...

如何「玩轉」這麼多高難度任務並保障它們有序、安全地運行下去呢？代表中國科學院牽頭負責的中國科學院空間應用工程與技術中心，承擔了「天宮二號」任務規劃、總體管理和技術集成工作。

近期，科學大院將帶大家一起了解這些「高大上」太空實驗的神奇之處…...

今天我們來介紹一下「太空天氣警報員」——空間環境分系統。

空間環境分系統(全稱：空間環境監測及物理探測分系統)主要用於實時監測「天宮二號」軌道上的輻射環境和大氣環境，實現艙外16個方向的電子、質子等帶電粒子的強度和能譜監測，以及軌道大氣密度、成分及其時空變化與空間環境污染效應監測等。

空間環境分系統能幹嘛？

大家現在都比較關心「全球變暖」、「自然災害」、「城市霧霾」等地球上的環境問題。宇航員和航天器進入太空同樣面臨著環境問題，只不過其要面對的是外層空間環境的影響。

空間環境的要素包括高能帶電粒子（質子、電子、重離子）組成的輻射環境和航天器軌道高度的大氣環境等。「天宮二號」搭載的空間環境分系統就是主要用來實時監測輻射環境和大氣環境的。

大家對輻射的危害應該較為了解，譬如福島核輻射問題曾經引起大半個中國的恐慌。

在太空中，帶電粒子的輻射能量很高，對於航天器來說，可能導致其材料性能下降或損壞；對於宇航員來說，可能破壞其器官組織，嚴重時甚至會威脅生命。

而說到大氣環境，大氣將對運行其中的航天器會產生阻力效應。一方面，大氣阻力可能導致航天器軌道下降甚至壽命降低，另一方面，大氣的擾動會使得航天器定軌精度下降。

「天宮」途中將遭遇地球上空輻射帶中危險的高能帶電粒子，「天宮」遭遇的輻射帶異常區，整體像個圓錐，從「輪胎」上垂落到南大西洋上空

此外，大氣中的氧原子具有非常強的氧化能力，它剝蝕航天器表面材料而使其性能下降；同時，微小顆粒附著在航天器表面，特別是光學器件表面，會引起器件污染，性能減弱等。

「天宮二號」發射到外太空後，軌道周圍的大氣將對「天宮二號」產生阻力， 特別地，在大氣擾動劇烈的時候，甚至可能有提前隕落的風險。

周圍的大氣將對「天宮」產生阻力， 特別是大氣擾動劇烈的時候，可能有提前隕落的風險。

空間環境分系統是怎樣構成的呢？

空間環境分系統由中國科學院國家空間科學中心空間環境探測研究室研製，系統由帶電粒子輻射探測器、軌道大氣環境探測器和空間環境控制單元3台儀器組成。

其主要功能為：實現目標飛行器艙外16個方向的電子、質子等帶電粒子的強度和能譜監測；實現目標飛行器艙外軌道大氣密度、成分及其時空變化與空間環境污染效應監測等。

帶電粒子輻射探測器身上的十六個小柱子(探頭)可以從16個方向全天候捕獲天宮軌道上的高能帶電粒子

這玩意兒有多先進？

為了保證數據一致性，也為了以後載人航天軌道空間環境分析的便利性，「天宮二號」空間環境分系統的各項指標完全繼承了「天宮一號」的空間環境分系統。

這也是考慮到「天宮一號」空間環境設計的前瞻性和國際上系列衛星更新換代過程中的數據一致性。目前「天宮二號」的空間環境分系統仍舊是國際先進的。

在輻射探測方面，多向粒子探測器集成了粒子能譜、通量和方向等的測量功能，探測數據可用於空間環境保障和空間物理研究。

粒子方向探測是儀器的一大特色。方向探測的解析度高，範圍大，分16個方向，覆蓋了2π空間。儀器還採用了一體化設計，重量輕，功耗低。

軌道大氣環境探測器，告訴你是誰拖延了天宮的腳步

研製它究竟有多困難？

科學家說，「天宮一號」的時候由於是首次突破小型化16向粒子探測技術、首次突破大氣成分、密度感測器融合技術和微質量測量技術，遇到的困難確實比較多，不過經過設計師和研製人員的努力和辛勞，還是順利地完成了具有國際水平的載荷，在軌工作正常，沒有給載人航天任務拖後腿，他們很欣慰。

而現在的「天宮二號」完全繼承了「天宮一號」的全部指標，同時克服了設計和研製上的技術難點。

不過呢，技術的進步是沒有止境的。

在高質量地完成了「天宮一號」的任務後，科學家們對總體工作提出了更高更嚴的要求，並提出了7項適應新型號任務的具體的改動建議，目前這些改動在「天宮二號」上已全部實施到位。

進展如何？

空間環境分系統的3台設備為「天宮一號」任務的繼承產品，所以在「天宮二號」時，直接進入正樣研製階段。

不過，為了適應「天宮二號」任務的要求，研究人員在「天宮一號」任務正樣設計的基礎上，進一步完善產品以提高產品的可靠性，在「天宮二號」任務中對產品的設計和狀態進行了7項適用性更改，其中5項在天宮二號初樣階段完成。

改造後的產品經過補充環境試驗和「天宮二號」初樣系統聯試的驗證，產品工作正常，硬體和軟體功能均正確，能夠滿足「天宮二號」的任務要求。

成果與突破

空間環境監測系統定位是以載人航天工程空間環境保障為主，兼顧空間物理研究。其任務目標為：

1.監測高能帶電粒子輻射環境、軌道大氣環境及其效應，為空間環境預報、空間環境變化機理研究以及目標飛行器、飛船和航天員的安全保障提供準確的實時監測數據；

2.突破多感測器綜合探測技術，進一步提高我國空間環境探測技術水平。

圓滿完成以上目標基礎後，我們要在空間物理研究方面進一步取得收穫。主要包括：

1.獲得400km高度上輻射環境方向分布的全球覆蓋數據以及軌道大氣綜合參數數據，支撐自主建模；

2.在可能的空間環境事件中，捕捉到有科學意義的新發現，支撐空間物理研究。

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