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发布时间:2016年01月08日

为空间科学先导专项首颗星——“悟空”发射飞行保驾护航

 

2015年12月17日8时12分,中国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将暗物质粒子探测卫星“悟空”发射升空,卫星顺利进入预定转移轨道。“悟空”是中国科学院空间科学战略性先导科技专项中首批立项研制的四颗科学实验卫星的首颗星,是目前世界上观测能段范围最宽、能量分辨率最优的暗物质粒子探测卫星。“悟空”运行在太阳同步轨道,其探测道路上的空间环境是否风和日丽呢?

“悟空”探测路上遇空间辐射障碍

齐天大圣“孙悟空”有着火眼金睛,“悟空”也不例外,暗物质粒子探测卫星携带了精密的探测设备,在茫茫宇宙中高精度测量高能电子和伽玛射线能谱及其空间分布。“悟空”的取经道路并不是坦途,其中最大的障碍当属空间辐射环境。“悟空”的探测对象是能量极高的电子、光子和宇宙射线,探测的能量范围是5GeV-100TeV,如此高能的粒子来自太阳系以外遥远的宇宙空间,非常稀少。但在地球附近还存在大量能量较低(在几百KeV到几百MeV)的粒子,就是我们通常说的空间辐射环境。这些较低能粒子会对悟空精密的探测设备及卫星平台产生各种干扰,在恶劣的空间环境条件下有可能对影响载荷及卫星平台的正常工作。因此空间辐射环境受到了卫星研制、载荷研制和卫星运控等部门的高度关注。

卫星轨道上的辐射环境包括银河宇宙线、辐射带高能粒子和太阳爆发质子事件时到达轨道的部分高能质子和重离子。暗物质卫星的飞行轨道属于低地球轨道,由于地磁场屏蔽了大部分的银河宇宙线,因此轨道上的银河宇宙线通量较低,主要分布在极区上空。辐射带是卫星轨道上的主要辐射环境,包括南大西洋异常区上空的内辐射带和靠近极区的外辐射带。内辐射带主要是高能质子,比较稳定,主要分布在南大西洋负磁异常区,通常能引起单粒子、总剂量、位移损伤等效应;外辐射带主要成分是高能电子,在低高度主要分布在极区,受地磁影响高能电子通量变化幅度较大,对卫星的主要影响是充放电效应。

500公里上的电子辐射带

太阳质子事件会引起卫星轨道上辐射环境的显著变化,受地磁场屏蔽的影响,质子事件产生的高能质子和重离子主要分布在极区,能够引起单粒子、总剂量、位移损伤等效应。

 为“悟空”探测保驾护航

中科院国家空间科学中心的空间环境预报中心(简称预报中心)担起了为“悟空”发射飞行提供空间环境预报保障的重要责任,对“悟空”所遇到的障碍谨慎分析。在分析计算轨道上的空间辐射环境和辐射效应之后,与卫星载荷、运控等部门讨论了卫星经过南大西洋异常区(SAA)的运控策略,为地面应用系统提供了精确的南大西洋异常区轮廓数据,同时,每天通过公共服务平台发布暗物质粒子探测卫星经过质子辐射带、电子辐射带的时间,以及经过SAA时每一时刻的质子能谱通量。

卫星穿越南大西洋异常区时间预报

为确保”悟空”探测道路安全,除了针对空间辐射环境的保障服务外,还开展了卫星发射、运行和试验等空间环境预报保障工作。

空间环境预报保障的目的是为卫星的设计、发射、试验和在轨运行提供空间环境参数的长期、中期、短期预报和效应评估,为试验任务决策提供空间环境依据。

预报中心从“悟空”发射前三个月开始提供发射安全期预报,发射前7天至发射当天每天提供安全期短期预报,共九份;在发射前三天每天提供一次针对发射窗口的暗物质卫星空间碎片碰撞预警报告,共三份。

空间环境发射安全期预报和碎片碰撞预警

在卫星发射和在轨测试阶段,预报中心24小时不间断对空间环境进行监测,每日提供空间环境预报和效应分析产品。预报中心提供了两类9种产品,第一类是空间环境要素和事件的预报,包括在轨空间环境预报、空间环境事件警报、太阳和地磁指数中期预报,第二类是空间环境效应分析,包括卫星轨道大气密度变化、卫星轨道大气密度二维分布、卫星穿越南大西洋异常区预报、太阳质子轨道分布、卫星表面充电环境和卫星载荷异常空间环境分析报告。

每天上午10时,预报中心将预报产品准时传递到地面支撑系统,供卫星平台和载荷研制单位使用。

“悟空”在发射、载荷加电以及载荷加高压期间,空间环境都是安全的。

预报员在怀柔在轨监测大厅提供空间环境保障服务

空间环境保障的得力助手

为顺利实施空间环境保障任务,预报中心研制了“先导卫星空间环境态势软件”。该软件动态展示了卫星在轨预报所需要的太阳活动和地磁活动参数,所经历的辐射环境、大气环境变化信息,有质子事件发生时轨道上质子通量的变化等。

先导卫星空间环境态势软件


 未来之路任重道远

中科院国家空间科学中心是我国载人航天工程任务的空间环境保障责任单位,作为空间应用系统空间环境保障分系统曾参加了载人航天历次飞行任务,成功完成了神舟一号到神舟十号以及天宫一号的空间环境保障任务。怀着对我国空间科学研究探索的崇高使命感以及强烈的责任心,又出色地完成了空间科学先导专项首颗星——“悟空”发射飞行的空间环境保障工作。

暗物质粒子探测卫星发射任务圆满成功,标志着中国空间科学研究迈出重要一步。预报中心在完成暗物质粒子探测卫星发射的空间环境保障任务之后,仍将继续提供暗物质粒子探测卫星的在轨运行安全保障。未来,将继续承担量子卫星、实践十号和空间硬X射线调制望远镜卫星发射飞行的空间环境保障任务。空间科学先导专项四颗卫星的任务期处于第24太阳活动周的下降期和第25太阳活动周的上升期,因此,先导卫星任务的空间环境保障,我们仍任重道远。

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