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特种材料研究团队为“风云四号”架起“千里眼”[图]

2016年12月11日,我国新一代静止轨道气象卫星首发星“风云四号”在西昌卫星发射中心成功发射升空。该卫星成功突破了代表国际前沿的高精度图像定位与配准、微振动测量与抑制等多项核心关键技术,显著提升我国静止轨道卫星研制和空间观测应用能力,是航天大国向航天强国迈进的又一重要标志。

 

特种材料研究中心王浩伟教授团队经过多年的科研努力,成功解决了“风云四号”卫星的“星敏感器支架”内部核心部件——三角支撑架的材料攻关、整体近净成形和超精度加工难题,为“风云四号”卫星定量遥感观测的高精度和高稳定度提供了核心关键部件。

 

监控“风云”变化,“千里眼”至关重要

拍摄到的闪电图,风云四号卫星可实现每秒钟拍摄500张图片

卫星上的“千里眼”监测,至关重要。卫星投入使用后,将对我国及周边地区的大气、云层和空间环境进行高时间分辨率、高空间分辨率、高光谱分辨率的观测,更加精确地开展天气监测与预报预警、数值预报、气候监测,为灾害及环境监测、人工影响天气、空间天气研究等提供有力支撑,这就要求卫星在轨运行时,对星敏感器支撑结构“星敏感器支架”的稳定性有极高的要求。

 

“风云四号”卫星历经10余年的预研和研制,是我国静止轨道气象卫星从第一代(风云二号)向第二代跨越的首发星,采用六面柱体结构、单太阳翼、三轴稳定姿态控制,在轨测量和控制精度达到角秒级,图像定位精度1像元。在反复交变的恶劣热环境中,“星敏感器支架”微小的变形都会导致星敏感器指向发生很大变化,无法保证卫星定姿精度及拍摄图像的清晰度。“风云四号”卫星总体设计单位首先对星敏支架结构进行了全面优化设计。为实现新一代卫星定量遥感观测精度数量级倍提升,要求“风云四号”卫星星敏支架在轨热变形稳定度设计指标比以往卫星提升一个数量级。

 

誓破难题 研发特种材料满足卫星的精度要求

特种铝基复合材料制备的三角支撑架

为破解此难题,王浩伟教授领导的特种材料研究团队经过多年潜心研究,发现使用现有材料制备的星敏支架,其最大绝对变形及热变形稳定性严重超标,远不能满足“风云四号”卫星的精度要求。保证精度的关键在于支架内部核心传热部件——三角支撑架。该部件同时对材料性能、整体近净成形和超精度加工提出了极其苛刻的要求。

该团队针对该核心部件的要求,成功研制了集铝的轻质、钢铁的刚度、陶瓷的膨胀性、石墨的导热性于一体的新型特种铝基复合材料,特别是该部件精密复杂结构的直接铸造成形,满足了构件的高刚度、高传热要求,保证了三角支撑架的微变形抑制和高精度;构件的整体超精度加工,使得构件尺寸和位置精度可控,同时兼顾了厚度均匀性。卫星总体设计单位和特种材料团队紧密配合、相互助力。首次创新性采用特种铝基复合材料三角支撑架、配合结构优化设计后的星敏支架,其绝对热变形只有原构件的十分之一,热变形稳定度提高了十倍,各项指标满足使用要求,达到了国际领先的水准。

今年,王浩伟教授领导的特种材料团队多项科研成果已为“墨子号”量子卫星、“天宫二号”空间实验室的成功发射提供了关键部件的支撑,如今又为“风云四号”气象卫星的成功发射解决了卫星三角支撑架的材料攻关和超精度加工难题。一项项原创性高水平、高质量科研成果的应用,代表着交大材料人追求卓越、注重合作、坚持原创,为实现国家科技进步、民族伟大复兴而脚踏实地的不懈奋斗。

[作者]:姜春兰

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