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我国火星探测七十米天线整体吊装成功
2020-04-29 16:53:37 来源:光明日报 作者:【 】 浏览:0次 评论:0

 

  GRAS-4天线建成后的效果图 国家天文台供图

  在刚刚过去的第五个“中国航天日”,我国首次火星探测任务被命名为“天问一号”。“天问一号”届时将与地球相距4亿公里之遥,为保障探测信号的接收,4月25日,由中国科学院国家天文台建设的70米天线(以下简称GRAS-4天线)高性能接收系统在天津武清成功进行了反射体的整体吊装。该项目建成后将成为亚洲最大的单口径全可动天线,是完成火星探测器科学数据接收任务的关键设备。

  我国为何会选择火星作为行星探测的第一站?70米天线有何独特之处?将发挥怎样的作用?中科院国家天文台副台长、中国首次火星探测工程副总设计师兼地面应用系统总指挥李春来作出了解答。

  欲探火星须先解远距离信号传输难题

  根据计划,2020年我国将实施首次火星探测任务“天问一号”,目标是通过一次发射任务,实现“绕、落、巡”三大任务,开展火星全球性和综合性探测,并对火星表面重点地区进行巡视勘查,这也标志着我国行星探测的大幕正式拉开。

  为何选择火星?李春来表示,火星是在太阳系中距离地球较近、自然环境与地球最为类似的行星之一,一直以来都是人类深空探测的热点。从1961年以来至今,已实施的火星探测活动已经达到45次,但成功和部分成功的任务一共仅有22次。可以说,除月球之外,火星是最受关注的天体。

  中国首次自主火星探测不仅在于探究火星生命的存在和演化过程等问题,更可以借此了解地球的演化历史和预测地球的未来变化趋势,同时也为人类开辟新的生存空间寻找潜在的目标。探测和研究火星,最终目的是为了地球和人类,是为人类社会的可持续发展服务。

  然而,月球与地球的距离约为36~40万千米,而火星距离地球为5600万~4亿千米,地火最远距离约为地月距离的1000倍。“发射信号的衰减与距离成正比,相同发射功率的信号到达地球将非常微弱,而增大地面接收天线的口径,也就是接收面积,是提高信号信噪比的基本途径,这正是修建GRAS-4天线的原因。”李春来说。

  多天线组阵模式保障信号“捕捉”

  “火星探测对数据接收任务来说是一项严峻的挑战,从火星来的信号衰减非常厉害,信号非常弱,没有这个大口径的天线,就不能完成数据接收的任务。”李春来介绍,与探月任务不同的是,本次探测火星任务中,数据接收模式由单天线接收改为多天线组阵模式。

  按照计划,GRAS-4天线将与北京密云站GRAS-1(50米口径)和GRAS-3(40米口径)、云南昆明站GRAS-2(40米口径)等天线联合观测,同时接收数据,以达到最大的接收性能指标,再进行数据合成,从而提高星地链路传输码速率,为我国获得更多的科学数据和更有显示度的科学成果提供坚实基础。

  了解到,本次吊装成功的GRAS-4天线总重约2700吨,相当于3个40米天线,高72米,主反射面直径70米,由16圈共1328块高精度的实面板组成,面积相当于9个篮球场大小。它采用了很多新的技术,如伞性结构反射体支撑、主副反射面修正赋型技术和多频段组合设计技术,在提高天线效率的同时减少了系统噪声,提高了抗干扰能力,除能接收火星探测的数据外,还能接收其他行星或其他深空探测的数据。

  将成为亚洲最大的单口径全可动天线

  按照计划,GRAS-4天线于2018年10月开工建设,计划于2020年竣工验收。李春来介绍,天线建成后,将成为亚洲最大的单口径全可动天线,能够大幅度提高我国深空探测下行数据的接收能力,为完成我国首次火星探测工程任务以及后续的小行星、彗星等深空探测提供坚实基础。

  “口径大、工期紧,从开工到验收在短短不到两年内完成,对于全国甚至亚洲最大的全可动天线来说是不可想象的。”李春来说,为保证工程和质量,技术团队结合大天线施工的关键技术,建立了施工技术和进度管理紧密结合的管理体系,将天线基础建设与天线研制并行工作,通过并行工艺尽可能缩短现场安装时间;天线反射体则采用整体吊装方案,与天线座架并行施工,天线伺服设备也提前进场,与天线结构后期同步施工。

  本次整体吊装完成,也意味着天线主体结构的基本完成。但吊装完成后,后续将进一步完成外围6圈剩余面板的铺设,以及伺服系统、馈源网络和制冷接收机等设备的安装,还要进行一定时间的系统调试、校准和试运行,才能具备执行任务的能力。“预计到今年10月,GRAS-4天线将完全具备火星探测的数据接收能力。”李春来说。


 

 

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