空間儀器技術專題講座設計及教學實踐

胡梅 郭熙業(yè) 周超

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?空間儀器技術是測控技術與儀器專業(yè)的一門技術選修課，通過課程學習，要求學生了解空間儀器基本概念與特征，掌握空間儀器工程的機、電、光、熱、抗輻射一體化設計方法，教學難度極大。基于課程特點和教學目標，課程講授以專題講座為主要形式，并對專題講座內容進行了精心設計，分為空間儀器與空間物理環(huán)境、空間儀器電子系統設計、空間儀器抗輻射加固設計、空間儀器結構設計、空間儀器熱設計、空間光學儀器設計、典型空間儀器工作原理七個部分。四年的教學實踐表明，學生通過專題講座，能夠系統掌握先進空間儀器關鍵技術原理，初步培養(yǎng)從事空間儀器設計和工程實踐的能力，取得了良好的教學效果。

[關 ? ?鍵 ? 詞] ?專題講座;空間儀器;教學實踐

[中圖分類號] ?G642 ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] ?A ? ? ? ? ? ?[文章編號] ?2096-0603（2020）45-0145-03

一、空間儀器技術課程特點

空間儀器技術是為測控技術與儀器專業(yè)學生開設的一門技術基礎選修課程。近年來，空間儀器在對地觀測、深空探測等科學研究和軍事應用領域發(fā)揮著越來越重要的作用，高效用的空間儀器已經成為航天事業(yè)可持續(xù)發(fā)展的助推力[1]。

課程的主要任務是系統介紹先進空間儀器關鍵技術原理，培養(yǎng)本學科學生從事空間儀器設計和空間儀器工程實踐的能力。通過本課程學習，要求學生了解空間儀器的基本概念與特征，掌握空間儀器工程的機、電、光、熱、抗輻射一體化設計方法，了解空間儀器工程領域各種單項技術的最新研究發(fā)展趨勢，具有選擇可使用技術并進行理論分析和綜合，及空間儀器總體設計的能力，教學難度極大。

基于課程特點和教學目標，課程講授以專題講座為主要形式，并對專題講座內容進行精心設計，分為七個部分進行模塊化介紹，并在研討環(huán)節(jié)通過問題交互，真正讓學生把具體技術和原理掌握透徹。

二、專題講座設計

根據課程教學大綱，通過精心設計，將專題講座內容模塊化，分為空間儀器與空間物理環(huán)境、空間儀器電子系統設計、空間儀器抗輻射加固設計、空間儀器結構設計、空間儀器熱設計、空間光學儀器設計、典型空間儀器工作原理七個部分。

（一）專題一：空間儀器與空間物理環(huán)境

首先討論什么是空間？什么是儀器？什么是空間儀器？從而引出空間儀器的概念、學科內涵、典型結構、分類、特點、研制過程以及現狀和發(fā)展趨勢。再基于空間環(huán)境概述，對空間環(huán)境及效應進行分析：真空環(huán)境及其效應、中性粒子環(huán)境及其效應、等離子體環(huán)境及其效應、空間輻射環(huán)境及其效應、空間碎片環(huán)境及其效應[2]。

（二）專題二：空間儀器電子系統設計

空間儀器的電子系統在設計過程中需要考慮兩種相互制約的因素[3]。首先，電路必須具備執(zhí)行所需信號處理功能;其次，能夠克服儀器在航天器中裝配和運行方面的特殊問題。分析一個典型的空間儀器電子系統由哪幾部分組成？空間儀器傳感器有哪些？空間儀器的天線與電路設計包含哪幾個環(huán)節(jié)？如何考慮空間儀器的電源系統、接插件、可靠性與電磁兼容設計？

（三）專題三：空間儀器抗輻射加固設計

首先理解什么是輻射效應？隨著航天技術的日益發(fā)展，新型材料和新工藝微電子器件越來越多地應用于航天器，這些新材料和器件對航天器愈加敏感，航天器被輻射效應誘發(fā)故障的可能性增加。空間環(huán)境的輻射效應對航天電子系統的高可靠、長壽命帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。通過介紹電子系統空間輻射效應損傷模式與特性，詳細分析總劑量防護設計、單粒子防護設計、位移損傷防護設計和充放電效應防護設計。

（四）專題四：空間儀器結構設計

空間儀器高可靠體系結構和機、電、熱一體化設計是實現空間儀器各項功能指標的技術基礎。主要回答問題：空間儀器結構設計的主要目的是什么？也就是說為什么研究空間儀器結構設計？要實現什么功能？結構設計需要考慮的因素有哪些？需要達到的性能指標有哪些？結構設計的主要步驟是什么？每一步要完成什么任務？

（五）專題五：空間儀器熱設計

在空間儀器設計過程中，熱設計是其中很重要的環(huán)節(jié)，需要熟悉空間熱環(huán)境究竟是怎樣的，空間儀器在太空中運行時熱量是如何傳輸的，在設計過程中選擇何種熱控技術，進行熱控制系統設計以及電子設備的熱設計[4]。主要回答問題：為什么要進行熱設計？空間儀器熱環(huán)境主要包含哪幾類？空間熱控技術分為哪幾類？各自的優(yōu)缺點是什么？熱設計的基本流程是什么？

（六）專題六：空間光學儀器設計

空間光學是空間科技的一個重要組成部分，是實現空間科學、空間技術和空間應用最重要的技術手段之一，并已經廣泛地應用于空間觀測（包括深空探測）和對地觀測等領域[5]。空間光學儀器和設備在空間探測遙感中發(fā)揮著重要作用，本專題主要介紹常用空間光學儀器的工作原理、基本結構、性能參數及設計方法，并初步分析其應用領域和發(fā)展趨勢。

（七）專題七：典型空間儀器工作原理

前六個專題全面展現了空間儀器設計全過程的各個環(huán)節(jié)。但是空間儀器的設計究竟從何入手，怎樣按步驟完成各部分的設計，對初學者而言確實比較難。本專題主要通過一個實際的空間儀器設計例子——衛(wèi)星重力測量系統，具體介紹空間儀器設計的全過程，然后通過介紹三個典型的空間儀器：全球衛(wèi)星導航系統、阿爾法磁譜儀和哈勃望遠鏡，更全面地介紹現有的重要空間儀器。

三、教學實踐與分析

根據設計的七個專題講座，結合四年的教學實踐經驗，對每個專題的教學效果進行了分析與總結。

（一）專題一：教學實踐

通過討論什么是空間，什么是儀器，什么是空間儀器，學生能真正理解空間是指地球稠密大氣層之外的宇宙范圍，儀器可以根據儀器學科的內涵定義為具有可計量意義的測量過程的物理實現。那么空間儀器就是工作于空間或服務于空間應用的儀器，從而了解空間儀器在航天領域的作用與地位。空間儀器的典型結構組成包括傳感器、信號調理、信號處理、數據處理、星載總線、星載計算機、數據傳輸、遙測遙控、電源系統等部分。相對于地面工作的儀器而言，空間儀器必須適應空間環(huán)境的影響和空間可用資源的約束。真空環(huán)境效應包括壓力差、材料出氣和污染、材料蒸發(fā)、升華和分解、真空冷焊、真空放電;中性粒子環(huán)境效應包括機械效應和化學效應;等離子體環(huán)境效應包括航天器表面充電、釋放靜電、輔助濺射和吸附污染物;空間輻射環(huán)境效應包括總劑量效應和單粒子效應;空間碎片環(huán)境效應主要是高速撞擊。

（二）專題二：教學實踐

通過分析典型的空間儀器電子系統組成，學生能夠回答一個典型的空間儀器電子系統由傳感器、天線與電路、電源系統等幾部分組成，了解了空間儀器電子系統高可靠設計的基本策略。空間儀器傳感器是空間儀器電子系統中信號感知的關鍵部分，主要包括姿態(tài)傳感器、紅外輻射傳感器、粒子輻射探測器以及微機械傳感器等。微型化是傳感器技術的主要發(fā)展方向之一，也是科學技術的發(fā)展以及社會的發(fā)展對傳感器的要求，微機械傳感器應用于航空航天領域典型的有微機械加速度傳感器和微機械陀螺。空間儀器的天線與電路設計包含天線設計、射頻微波電路設計和信號處理電路設計。空間儀器通過天線接收到的射頻微波信號，需要經過一定的模擬電路處理才能送入后續(xù)的信號處理電路。通過微波電路，天線所接受到的射頻信號變成了頻率較低的信號，而對該信號的處理往往比較復雜，一般引入軟件無線電進行信號處理。

（三）專題三：教學實踐

通過討論什么是輻射效應，學生能夠理解輻射效應是指航天電子系統運行在空間輻射環(huán)境下，受高能粒子撞擊或電磁輻射影響而導致性能下降或故障的情況。空間輻射效應有總劑量效應、單粒子效應、位移損傷效應和充放電效應，總劑量效應幾乎影響所有的航天器半導體材料，導致材料性能緩慢下降，直至系統失效。單粒子效應主要對存儲器造成影響，導致邏輯狀態(tài)發(fā)生翻轉或器件的功能中斷。位移損傷主要影響太陽能電池和光學器件，造成電子—空穴對熱產生率的提高和載流子遷移率的退化。充放電效應引發(fā)電弧放電和介質擊穿，極大影響航天器的可靠性和壽命。對于總劑量效應的防護，柵介質材料的工藝改進是MOS器件加固的重點。單粒子效應的防護方法主要有三種：冗余設計、重構刷新和高可靠系統結構。位移損傷防護設計主要是對位移效應敏感的器件提出了一些防護措施。充放電效應防護方法主要有：接地、屏蔽、程序設置。熟悉了電子系統空間輻射效應故障模式與機理，掌握了模擬電子系統和數字電子系統的抗輻射加固設計技術及其在空間儀器中的應用。

（四）專題四：教學實踐

通過討論為什么研究空間儀器結構設計，學生能夠理解結構設計受所有其他子系統的影響，通過結構系統把其他所有子系統組合在一起：“承”，承受荷載——支撐所有其他子系統;“固”，保持幾何形態(tài)——準直，熱穩(wěn)定性，質心等;“護”，提供屏蔽輻射。能夠回答航天器結構設計主要需滿足六個因素：尺寸、重量、視場、干擾、準直和負載。尺寸要適合整流罩，為內部設備安裝提供充足空間;重量不能超過指定運載火箭到期望軌道的最大起飛重量，軌道與發(fā)射重量之間會有折中;視場由其他相關單元的設計結果決定;干擾需要考慮結構包絡需在整流罩內，不同組件之間需考慮安全間距，避免不期望的物理接觸;準直要求由其他部分決定;負載包括外在環(huán)境負載和內部組件負載，要統一考慮。空間儀器結構設計的主要任務包括：配置設計、材料選擇、負載計算和結構分析。結構分析需從三個方面進行考慮：質量特性分析、結構元素與受力路徑分析、動態(tài)與應力分析。

（五）專題五：教學實踐

通過討論空間儀器熱環(huán)境是什么，為什么要進行熱設計，學生能夠回答空間儀器熱環(huán)境主要是指：太陽輻射、地球反照、地球紅外輻射和衛(wèi)星內部熱源。空間儀器熱控制關心的主要是太陽光譜、太陽強度和光線的平行度等;地球對太陽光的反射形成了地球反照;地球紅外輻射主要受地球表面溫度及所覆蓋的云量的影響。熱傳遞有三種方式：輻射、對流、傳導。熱控技術可以分為被動熱控和主動熱控技術，被動熱控是無源的，通過合理的規(guī)劃布局和使用熱控組件實現，如熱控涂層、多層隔熱材料、熱管和導熱填料;主動熱控是有源的，通過自動調節(jié)傳熱參數實現，如輻射式主動熱控、傳導式主動熱控、電加熱和低溫制冷等。初步了解空間儀器熱控策略和熱設計策略，基本掌握了空間儀器的熱設計與分析仿真方法。

（六）專題六：教學實踐

通過提前布置讓學生查閱資料，了解空間光學儀器，主要包括天文望遠鏡、成像光譜儀、航天相機、激光測高儀、激光雷達、光譜輻射計等，弄清空間光學儀器的基本參數包括空間分辨率、調制傳遞函數、幅寬、觀測場、光譜特性、輻射分辨率、動態(tài)范圍、輻射定標精度、時間分辨率、幾何性能參數。根據圖像獲取方式、譜段數目、掃描方式的不同，對感興趣的成像光譜儀種類以及其中感興趣的參數，要求學生課后查找相關文獻進行深入了解，形成課程小報告提交。作為航天產品，空間光學儀器及其子系統和部件要經歷技術要求和約束條件的提出與確認、方案論證、方案設計、詳細設計、加工、裝調、測試、試驗、發(fā)射和在軌運行，直到壽終正寢。隨著21世紀光學技術與電子學技術的飛速發(fā)展，空間光學技術及其儀器由低分辨率、單譜段、窄覆蓋向高分辨率、多成像譜段、寬覆蓋、實時傳輸的方向發(fā)展。

（七）專題七：教學實踐

通過介紹重力場是地球的一個基本物理場，它反映了地球的物質分布與運動，許多學科開展研究都需要用到該物理量，強調確定地球重力場的精細結構及其時變，不僅是大地測量學、海洋學、地震學、空間科學、天文學、行星科學、深空探測、國防建設等的需求，同時也將為全人類尋求資源、保護環(huán)境和預測災害提供重要的信息資源。衛(wèi)星重力測量系統的設計包括系統硬件設計、系統軟件設計和系統試驗設計。在硬件設計環(huán)節(jié)，包括射頻通道設計、時鐘管理單元設計、天線系統設計、數字基帶設計;在軟件設計環(huán)節(jié)，包括時間信息獲取軟件、信號產生軟件、信號處理軟件和地面站數據處理軟件設計;在試驗設計環(huán)節(jié)，分別設計有線試驗系統和無線試驗系統對系統的性能指標進行全面的測試。其次，全球衛(wèi)星導航系統作為典型的現代導航儀器，可為全球范圍內的用戶連續(xù)、實時地提供高精度的三維位置、三維速度及精密授時服務，在軍事和民用領域具有重要而廣泛的應用。阿爾法磁譜儀是國際空間站上唯一的大型高能粒子探測器，也是人類送入太空的第一個大型磁譜儀。哈勃空間望遠鏡是設置在地球軌道上、通光口徑為2.4m的反射式天文望遠鏡，可從紫外到近紅外波段探測宇宙目標，可以說哈勃望遠鏡是具有標志性也是最成功的空間望遠鏡，也是天文史上最重要的科學儀器之一。選擇其中一個典型空間儀器，通過課后深入查找資料，能夠掌握該空間儀器的功能、原理與設計思路，要求每位學生撰寫一篇課程小報告提交。

總體而言，在七個專題講座中，預先設計的問題能夠極大地引起學生的興趣，通過引導與思考，學生循序漸進地揭開問題的本質，最終能夠掌握各個專題的教學重難點問題，達到既定的教學要求。

四、結語

空間儀器學科包含科學、技術與工程三個層面。在科學研究方面，主要以探索空間測量新原理、新方法和新技術及其可行性理論和空間測量信息完整性理論（包括時間一致性、空間一致性、量值傳遞與溯源及附屬信息完整性）為學術基礎，為空間測量所面臨的科學問題提供理論與方法。技術研究方面以高可靠智能傳感技術、低代價高性能信號處理、數據處理、空間儀器高可靠體系結構和機、電、熱一體化設計為技術基礎，開展空間儀器系統及其抗輻射加固、地面試驗驗證系統等核心關鍵技術研發(fā)工作。工程方面，主要開展航天器平臺和載荷中的儀器設備研制，以及載人航天、衛(wèi)星導航、高分辨率對地觀測和深空探測等涉及儀器系統部分的總體論證、方案設計、關鍵技術攻關和產品研制，以及地面仿真測試等。

針對測控技術與儀器專業(yè)本科生開設的空間儀器技術這門技術基礎選修課，從無到有，從陌生到熟悉，從自學到教學，筆者在四年的教學過程中積累了一些經驗，總結了一些行之有效的方法。為了讓學生更好地參與課堂互動，真正通過思考理解空間儀器設計相關的各重難點知識環(huán)節(jié)，特通過專題講座形式進行課堂講授，基于課程特點和教學目標，精心設計了專題講座內容，并通過教學實踐不斷迭代優(yōu)化教學設計，取得了良好的教學效果。

參考文獻：

[1][英]A·M·克魯斯，J·A·鮑爾斯，T·J·帕特里克，等.空間儀器設計原理[M].張育林，劉昆，項軍華等，譯.北京：中國宇航出版社，2012.

[2][美]A.C.Tribble.空間環(huán)境[M].唐賢明，譯.北京：中國宇航出版社，2009.

[3][美]M.M.Abid.航天飛行器傳感器[M].范茂軍，譯.北京：中國計量出版社，2010.

[4]候增祺，胡金剛.航天器熱控制技術：原理及其應用[M].北京：中國科學技術出版社，2007.

[5]楊金照，王雷，范紀紅.空間光學儀器設備及其校準檢測技術[M].北京：中國計量出版社，2009.

◎編輯 原琳娜