出品/星动无极

11月11日19时41分,长征二号丁运载火箭在酒泉卫星发射中心点火升空,以一箭四星组合体方式将探源计划探路者卫星送入预定轨道。这是长征系列运载火箭的第677次飞行,也是长二丁的第107次发射。四颗星入轨后要依次完成组合体分离、三星分离部署、编队控制与星间测量,任务的重心从把星送上去,转到星与星之间能否按设计拉开距离并保持构型。

探路者卫星是太空探源系列科学卫星计划的技术试验星。它承担的任务以载荷关键技术验证为主,验证对象包括鸿蒙计划、夸父二号以及国家空间科学中长期发展规划中若干有效载荷,在轨试验结束后转入空间环境监测示范探测。卫星设计寿命2年,运行在600公里高度的太阳同步晨昏轨道。

四颗星的分工并不对称。A星集中了五类载荷:磁场与速度场成像仪、甚大面积伽马射线空间望远镜探路者、高分辨率大气边界层激光探测仪、朗缪尔探针、空间天气效应监测仪。B、C、D三星以编队方式构成空间分布式低频干涉成像谱仪技术试验系统,入轨后先与A星分离,再相互分离并进入编队。

分布式低频干涉的难点在几何。单颗卫星的口径有限,把接收单元分散到多颗星上,等效口径由星间基线决定,基线越长,低频波段的成像分辨率越高。代价是各星的相对位置必须稳定在厘米级、时间同步必须做到纳秒级,否则干涉条纹会糊掉。三星编队要在没有地面实时干预的条件下自主保持队形,这套控制与测量链路此前在国内没有完整飞行验证过。

600公里的晨昏轨道是为长期监测选的。这条轨道上卫星始终处在昼夜交界附近,太阳照射角变化小,太阳能供电与热环境相对稳定,适合连续观测空间环境。2年寿命对应的验证科目排得比较满,载荷开机、定标、编队保持、星间测量要按序完成,留给单项试验的窗口并不宽裕。

研制分工覆盖了中科院多个研究所。工程由中国科学院组织实施,大总体工作由国家空间科学中心负责;卫星系统由微小卫星创新研究院抓总;磁场与速度场成像仪由西安光学精密机械研究所研制,大气边界层激光探测仪由中国科学技术大学研制,伽马射线望远镜由紫金山天文台研制,朗缪尔探针、空间天气效应监测仪与低频干涉载荷由国家空间科学中心研制;运载火箭由航天科技集团八院负责;地面接收任务由空天信息创新研究院实施。

这次任务是微小卫星创新研究院第101次卫星发射,该院累计已将411颗卫星送入轨道,覆盖通信、导航、遥感、科学与微纳等方向。这个数字说明国内小卫星平台已经形成批量研制与批量发射的能力,科学卫星的载荷接口、结构平台、测控流程可以在成熟平台上做定制,省掉从头搭平台的时间。

晨昏轨道的选择还有一层工程考虑。这条轨道上的太阳照射角全年变化小,星上热控与电源设计可以按稳定工况做,不必为季节性光照差异留大余量。国内多颗遥感与科学卫星采用同类轨道,测控与地面站的排程经验已经积累起来。对三星编队而言,光照稳定意味着电池充放电深度变化小,锂离子电池的循环寿命压力也小一些,这对2年寿命期内的编队保持是有利的,这一工况在国内同类晨昏轨道卫星上已有运行经验。

按规划,太空探源系列聚焦宇宙起源、空间天气起源、生命起源等前沿问题,未来3至5年陆续完成鸿蒙计划、夸父二号、系外地球巡天、增强型X射线时变与偏振空间天文台四项卫星计划的研制与发射。这四项计划的时间表属于规划口径,具体发射年份取决于载荷研制与工程评审进度。

探路者的在轨结果会直接影响后续四颗科学星的载荷选型。伽马射线望远镜、低频干涉谱仪这类载荷,地面标定无法完全复现在轨的本底与干扰环境,只能靠飞行数据判断指标能否达标。哪一类载荷在2年窗口内跑通,哪一类就要重新设计,后续计划的排期随之调整。

科学卫星的工程节奏与商业卫星不同。商业星座靠批量生产压低单星成本,科学卫星的每一颗都带着不同的载荷组合,单星定制、单次验证,成本降不下来。国内近年在小卫星平台上做标准化,把供电、数传、姿控做成通用模块,载荷侧保留定制空间,这条路能否支撑四项计划在3至5年内完成,取决于平台复用率能提到多高。

11月11日这一发火箭送上去的四颗星,真正的产出要等几个月后的在轨试验数据。对关注这条线的人来说,接下来值得盯的节点是三星编队是否稳定、星间测量精度是否达到设计值,以及五类载荷的在轨本底与地面预测差多少。