本期“走近科学”我们将介绍上海空间推进研究所获得2011年度上海市科学技术奖科技进步奖一等奖的“风云三号卫星推进系统”项目。

 

　　风云三号是我国首个被纳入世界气象组织全球卫星观测系统的卫星，于2000年11月正式获国务院批准立项。2008年5月27日成功发射A星，2010年11月5日成功发射B星，两星至今在轨稳定运行。未来，将会有8-12颗风云三号卫星在轨组网运行。它们将持续为我国和周边国家提供高精度气象服务。

 

　　风云三号卫星主要由控制、推进、结构、测控、热控、数传、天线等多个分系统组成，其中推进系统是卫星极其重要的核心分系统之一，是整星的动力装置。每一颗风云三号卫星的推进系统都是或将是由上海空间推进研究所研制的。

 

　　推进系统作为卫星的动力系统，其核心功能是保证卫星准确入轨并维持在轨位置和姿态。推进系统性能的好坏，直接影响卫星的入轨精度和在轨寿命。

 

　　卫星上运载的载荷，如分光计、湿度计等，是风云三号发挥气象监测功能的核心部件，而空间推进系统之于卫星，类似于发动机之于汽车，属于卫星的运载装置。当然也有所不同，一辆汽车的发动机，只是其装在前面的一个机械装置。而推进系统还包括燃料、点火设备等相关配置，其设计需要考虑机械、电子、热能、信息，甚至化学作用和排放污染等多方面问题。更加不同的是，汽车发动机每行驶一定里程可以去4S店做维修保养，而推进系统随卫星在遥远的太空飞行，维修保养是不可能的，一切都必须依靠其自身的高度可靠。

 

　　上海空间推进研究所不仅是风云三号推进系统的研制单位，事实上他们也是我们国家指定的唯一专门从事中小推力液体火箭发动机研制的机构。在此领域，他们已经有了将近半个世纪的持续积累。

 

　　上海空间推进研究所的前身是成立于北京的航天二院21所，其后搬迁至上海并改称上海航天动力机械研究所，2006年12月31日，正式更名为现有名称。该所从上世纪60年代在国内最早开始研制导弹发动机；70年代开始研制运载火箭发动机（包括主发动机和姿控发动机）；80年代开始承担卫星远地点发动机研制，目前仍是国内唯一；90年代至今，致力于空间推进系统研制，产品应用范围涉及导弹、运载火箭、卫星、飞船、空间站、深空探测器等多个领域，配套研制的运载火箭推进系统已连续成功飞行近120发。除了本文介绍的风云三号卫星，我国现有长征系列运载火箭、多个型号卫星、神舟系列飞船、天宫系列空间实验室以及未来空间站、载人登月、火星探测等项目，其空间推进设备都是或将是由空间推进研究所研制。

 

　　上海空间推进研究所因对风云三号卫星A/B星推进系统的研制而获得上海市政府所奖励的科技进步奖一等奖，这在历史上是第一次。实际上，上海空间推进研究所获奖次数颇多，只是由于之前所研制的推进系统均属国防保密范畴，所以只在军方系统报奖和获奖，鲜为公众所知。

 

　　推进系统的重点在于“推进”。对于导弹、火箭而言，推进系统主要是负责让导弹和火箭起飞、升高，并维持其预定弹道。卫星一旦被火箭送到大气层之外的轨道上，火箭离开，接下来的运行就靠推进系统了，作为动力装置，它担任着把卫星送入工作轨道，并使卫星在工作期间保持在所要求的位置上，以及根据要求随时改变轨道和姿态等任务。

 

　　根据能源――也就是推进剂――类型的不同，推进系统有化学推进、电推进、核能推进以及辐射推进等多种类型，其中化学推进剂又分为液体推进剂和固体推进剂。风云三号卫星采用的是液体肼推进剂。如何提供、分配、燃烧肼，正是推进系统的任务所在。推进系统在功能上分为三个子系统：增压子系统，推进剂贮存与分配子系统，发动机子系统。

 

　　增压子系统的作用是提供一定范围的挤压压强，确保推进剂能够在液路管网系统中正常流动；推进剂贮存与输送子系统的作用是贮存推进剂，并根据任务需要将推进剂向不同的发动机模块进行分配和输送；发动机子系统的作用主要是根据任务需要，将流入的推进剂催化分解为高温燃气，并经喷管高速喷出，提供满足姿态和轨道控制需求的冲量。

 

　　类似于运载不同的物品需要不同的车辆配置。风云三号卫星有自身的物理特点，如何让具有这样特点的卫星在气体作用、地球吸引之下，保持在轨道上运行和维持健康的姿态，需要定制的推进系统。虽然我国之前的气象卫星均有推进系统，但是作为新一代极轨卫星的风云三号气象卫星，其新的特点给推进系统带来了新的难题。

 

　　风云三号与国内早期发射的同类卫星相比，突出的特点是有效载荷多。整颗卫星上共装载了11个有效载荷，带有35个转动部件。

 

　　载荷增多，将会带来力矩问题。35个转动部件的工作模式各不相同，在有限的空间里，有的匀速转动，有的变速转动，有的快速和慢速交替运动，相互之间一定会造成力矩干扰。对卫星姿态做出控制，一定要求各组件在整星需要时，迅速响应――对燃料进行分配和供给，以保证卫星的轨道和姿态不发生紊乱。

 

　　载荷增多，也将会带来磁矩问题。作为气象卫星，很多仪器都是根据电磁波来探测气象数据的。但是由于各个仪器的电磁波频率不同，天线之间一定会互相干扰。推进系统作为服务系统，一方面自身的电磁信号不能影响别的功能组件，另一方面还要具备良好的电磁兼容性，能够在复杂的电磁环境下可靠工作。在我国，对推进系统在磁矩方面的要求，是从风云三号卫星才开始的。

 

　　载荷增多，意味着推进系统所占空间受到很大的约束。卫星上空间有限，给载荷足够大的空间，就要求推进系统在卫星有限的空间里进行更紧凑的布局和更模块化的设计，将更宽阔的空间留给各种各样的探测仪器。对推进系统有这样苛刻的要求也是第一次。

 

　　载荷增多，还意味着防污染要求增高。发动机喷出来的排放物需保证不污染别的仪器，这就要求更优化的布局、更清洁的排放标准――类似于汽车的O3、O4标准。而在之前发射的卫星推进系统中，也都没有这样的要求。

 

　　除了载荷增多引发的新的设计标准，推进系统的寿命也有了新的要求。之前的太阳同步卫星，都是两年的寿命。而风云三号A星，设计要求是在轨寿命2年，考核则要求3年；B星设计在轨寿命为3年，考核则要求5年。这样的要求，对于推进系统来说，意味着在贮箱容积和总质量不变的约束条件下，采取新的技术提高推进剂的利用效率。

 

　　这5个难题，对应于推进系统的设计，就是13个技术难关。这13大难关的攻克，正是风云三号推进系统的创新之处，也正是上海空间推进研究所获得这次上海市科技进步一等奖奖励的基础。

 

　　虽然对空间推进系统的研制在之前的卫星中已经有一定的积累，但用液体推进剂作为能源，在整个上海航天领域还是第一次，所以立项之初，很多研制人员都心怀忐忑。

 

　　整个研制过程分为三个阶段，方案；初样；正样。2000-2002的两年，是方案阶段。2002-2005的三年，是初样阶段。2005-2008的三年，是A星的正样阶段；后来的B星，基本设计和生产与A星一样，但也需要再做正样。

 

　　在方案阶段，设计人员最重要的任务是攻克破解5种难题的13个技术难关。上海空间推进研究所对推进系统是设计、制造、试验一体化作业。设计人员画好图纸后，直接交付车间加工，制出推进系统。这一阶段最重要的工作是全系统可行性热试车，就是把所有组件集成起来按真实工作条件点火工作，从而考核整个推进系统的设计方案是否可行。

 

　　做这样的试验是在上海佘山的试验站进行的。在上海，推进系统单个的组件以前都做过热试车，但是合起来进行全系统热试车，是前所未有的，所以可以说这次可行性热试车是上海的第一次。热试车试验最后圆满完成，设计人员对自己的设计方案终于有所放心。

 

　　做完试车之后，转向初样阶段。初样阶段是对所有组件开展试验，即每一个组件不仅要承受热环境，还要承受在发射过程中的强烈振动、冲击、噪声等力学环境。这一方面的试验称为鉴定试验。

 

　　然后是可靠性试验，推进系统装好之后，需要随卫星一起经受发射之后的各种环境的考验――高低温、振动、噪声、真空，等等。试验中的环境，往往设定的比卫星真实经历的环境还要复杂和严酷。

 

　　经受了各种外部条件的考验之后，推进系统还要随整星，与火箭合在一起试验，也就是将整个卫星与火箭对接起来，在发射场上做一次试验。这种试验称为合练。合练验证的是推进系统与发射场接口的匹配性和协调性。特别是，作为推进剂的肼，是一种有毒燃料，这种燃料的加注是在发射场进行的，必须要确保加注和后续使用过程不能有一丝一毫的泄漏，否则将严重危害人身和产品安全。

 

　　还有一个试验，与推进系统从上海运达发射场太原有直接关系，就是运输试验。通常来说，推进系统长距离运输，是需要振动保护措施的。往返基地，一般是将整星装入包装箱后，装在平板车上放在铁路上运输。但不巧的是，这次运输试验中，火车刚出上海不久，包装箱下面的减振设备就发生了故障，也就等于说，推进系统在拉往太原基地的上千公里的路上，一直没有减振装备的保护。但到了太原后进行检查，发现推进系统没有损坏，其电学、化学性能也没有出问题。由于这次试验只有推进系统采用了完全真实的产品，也就是说，只有推进系统经受了这样严酷条件的考核。著名航天专家孙敬良院士知晓此事后说，推进系统这样都没问题，可靠性肯定是很高的。在试验之后，推进系统又在没有减振保护的情况下拉回上海，再做全系统热试车，各项指标依然达标。整个设备的可靠性再次得到证明。

 

　　在接受了各级别的严苛试验后，推进系统最终进入发射阶段，不负众望，推进系统至今仍运转良好。

 

　　在授奖名册上，获奖人员一共有10人――周红玲、袁磊、徐繁荣、何永英、黄含冰、朱智春、陈志坚、乔梅、曹根龙、李向党。但实际上，按照这一项目技术副负责人袁磊研究员的说法，参与研制工作的人员远不止此，项目管理、质量管理、组件设计、原材料供应、物资供应、车间加工和装配、各种性能检测和试验等等，至少有200号人参与当中。一项工程往往是集体的成果，风云三号卫星空间推进系统的研制更是如此。

 

　　建所40多年来，上海空间推进研究所大幅度拓展产品应用范围，其产品已广泛应用于卫星、载人飞船、导弹、运载火箭、深空探测器等五个空间推进领域，是国内航天产品覆盖面最广的研究所，所有参加发射的产品均取得了100%的成功。我们期待上海空间推进研究所做出新的更大的成绩！