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              长征八号“一箭22星”,最大的技术突破可能不是你以为的卫星数量

              发布时间:2022-03-05 10:19:01来源:pingwest

                时隔 6 年多,我国“一箭多星”的发射记录终于被再次打破——2022 年 2 月 27 日 11 时 06 分,长征八号(以下简称“长八”)遥二运载火箭发射成功,将共计 22 颗卫星分别顺利送入预定轨道。

                与 2015 年 9 月 20 日长征六号的“一箭 20 星”相比,仅仅 10% 的运载卫星个数的上涨,似乎远不足以让它在被俄乌新闻塞得密不透风的媒体平台中,撕出刷屏的空间——但其实,这次发射将给我国航天技术发展带来深远影响。

                作为一个定位于商业应用的火箭类型,此次的长八遥二火箭堪称一次大胆的尝试,“一箭发射多轨道卫星”不过是其中之一。

                “一箭多星”

                1981 年 9 月 20 日 5 时 28 分,“风暴一号”运载火箭从酒泉基地(酒泉卫星发射中心前身)起飞。7 分 20 秒之后,三颗卫星(实践二号、实践二号甲、实践二号乙三颗科学实验卫星)逐一与火箭分离,进入预定轨道。至此,继前苏联、美国和欧洲航天局之后,中国成为第四个掌握“一箭多星”发射技术的国家。

                “一箭多星”,即在一枚运载火箭上搭载多颗卫星。目前,世界上共有 6 个国家掌握了这项技术。在我国实现“一箭多星”27 年之后,印度和日本也先后发射了自己的“多星”火箭。此后十年,一次性发射卫星数量的纪录持续被快速刷新,到 2017 年,印度在一颗火箭上搭载的卫星数量已经达到了三位数,成功达成“一箭 104 星”。

                事情进展到这里,外行人可能也回过味来了。当单颗火箭搭载人造卫星的数量增加到某个数值,单纯的数量增加导致的变化可能只会停留在量变的范畴内。也就是说,发射卫星的数量,并不一定和航天技术的高超程度成正比。

                目前来看,“一箭多星”技术分为两大类:一类是将所有载荷发射到同一条轨道;另一类是分别将不同的卫星发射到各自的轨道。前者即印度的“一箭 104 星”以及绝大多数星链卫星采用的方式,后者是长八遥二使用的方法。两类发射,对应着不同的运载火箭要求。

                第一类发射任务是在运载火箭的末子级关机后,只需要将所承载卫星依次释放出来即可。这其中,需要考虑的主要问题是各个卫星释放后可能出现碰撞。这个问题的解决方法并不难,即控制释放卫星时的速度或者时间,使其稍有不同。

                至于将多颗卫星发射到不同轨道,就没那么简单了。它要求运载火箭在满足前者技术水准的基础上,还要在进入初始轨道后,依然具备变轨的能力,这就不是常规的运载火箭可以做到的了。它需要卫星从“上车”到“下车”的整套流程解决方案。

                以本次的长八遥二为例,第一步是要把这些卫星合理布局在火箭整流罩里。长八遥二任务所搭载的 22 颗卫星分属 7 家不同的卫星制造商,每一家的卫星体积、尺寸、重量都存在较大差异,所以布局时,首先考虑如何有效利用整流罩内空间。

                结合任务需求,设计团队对传统卫星结构进行梳理,设计了新的三层式多星分配器,最终为“乘客”提供了三层“座椅”。三层式多星分配器从下到上分别由锥形支架、中心承力筒和圆盘平台组成。最终,22 颗卫星的布局为:锥形支架(沿用了长八遥一火箭的结构)搭载 2 颗卫星,中心承力筒搭载 14 颗卫星,圆盘平台搭载 6 颗卫星。

                对于一些直径较大、不适合侧挂的卫星,设计团队则在中心承力筒上方新设计了一个圆盘平台,让大直径卫星安装操作更简洁,分离方向上也没有其他卫星去干涉。

                卫星终于顺利装进了整流罩,之后要解决的,就是让它们安全准确“下车”的问题,这也是设计团队遇到的最大难题之一。

                首先要考虑的是卫星近场分离安全性。卫星与箭体分离过程中,需要考虑卫星不同的解锁方式和分离能源所带来的运动偏差。某些时候,这些小偏差会使卫星之间距离缩小,进而威胁到箭体的安全。

                根据卫星的不同分离机构,设计团队对所有的箭体和卫星偏差进行了多轮仿真计算,让各卫星之间保留一定的近场分离过程中的动态间隙,保证近场分离安全性。

                “卫星数量越多,分离出去后在轨道飞行碰撞的风险就越大,远场分离安全性也是设计人员需要考虑的重点。”负责弹道设计的李静琳介绍,分离速度、分离方向、分离顺序是影响卫星后续运动轨迹的关键因素。要在有限的外界分离轨道将 22 颗卫星错开,避免两两卫星之间干涉,对设计人员来说是个不小的挑战。

                22 颗卫星加上火箭末级就是 23 个分离体,为了保证彼此之间分离的安全性,设计团队要计算分析每一个卫星运行的轨道参数,对 23 个分离体两两之间的相对距离进行长周期的仿真、观察和考核,并根据卫星布局和设计分离方案,采取了 12 次分离动作,依次将 22 颗卫星逐步分离出去,并通过不断调整末级箭体的姿态,实现不同卫星的分离方向调整,确保各个卫星近远场安全,让 22 颗卫星安心“下车”。

                具体到分离动作的设计,也并非易事。对 23 个分离体两两之间的相对距离分析,本身所需计算量就非常大,在此基础上,还要维持火箭调姿过程中天基可见,这就要求箭体调姿角度不能过大。多项要求夹击之下,难度也随之增大:“这是一个相当于多个对象、多种约束、长周期的、需要通过多轮迭代解决的一个优化问题,远场分离计算量比以往翻了好几倍。”

                为此,设计团队专门研制了一个多星远场分析工具,这样一来,“通过一次仿真,就可以自动完成 23 个分离体各自的速度位置计算,以及两两之间相对位置的计算,不仅大幅提高了计算效率,而且提高了远场分析的准确性。”

                最终,根据每颗卫星的分离方式,结合任务需求等多种因素,二子级在偏航和俯仰角上作出相应的调整,22 颗卫星分 12 次终于依次成功部署入轨。

                “本次任务一共需完成 22 星分离,共计完成 12 次分离动作,创造了中国航天的新纪录。可以说星箭分离中长征八号火箭宛如跳了一场‘芭蕾’,最终 22 颗星的释放就如‘天女散花’一般。”中国运载火箭技术研究院长八副总指挥段保成总结道。

                为商业化定制

                如果有心观察,很容易发现,长八遥二运载火箭长得和以前的火箭不太一样:底部的助推器不见了,成了一个彻底的“光杆”火箭。

                事实上,这种不带助推器的火箭正是该型号火箭的新构型。长八副主任设计师陈晓飞说,与遥一火箭相比,长八遥二火箭外形最大的区别就是取消了两个助推器,从两级半构型变成了两级串联构型。

                长八火箭是我国新一代主力中型运载火箭,也是目前我国中低轨运力最强的商业火箭,于 2020 年 12 月成功首飞,填补了我国太阳同步轨道运载能力 3 吨至 4.5 吨的能力空白,可以承担我国 80% 以上的中低轨发射任务。此次无助推的“光杆”型长征八号遥二运载火箭,运载能力就达到 3 吨

                长八是瞄准未来发射市场需求而专门打造的一型火箭,作为定位于商业应用的火箭,成本就成了必须考虑的因素,长八遥二火箭在此基础上又做了进一步调整和尝试。

                使用新构型就是尝试之一。长八火箭项目办胡辉彪介绍,使用新构型可以做到“一举多得”。除了可以检验新构型的正确性、协调性和匹配性,开拓中型主力火箭市场之外,减少两个助推器,还可以缓解生产、总装和测试的压力,让研制周期缩短、研制成本降低。

                “未来,人类进入太空的需求越来越大,空间的基础设施建设需求越来越大,因此改变发射场流程、缩短火箭研制周期迫在眉睫。”肖耘介绍。

                为此,长八遥二火箭还采用“模块化”“组合化”设计思路。早在研制伊始,设计人员就充分兼顾了火箭不带助推器的状态,并纳入遥一火箭的考核包络中。因此,遥二火箭无需进行大规模更改,只需针对载荷、飞行轨道进行适应性调整。最终,自成功首飞到完成总装总测、具备出厂条件,长八遥二火箭仅用了 1 年时间。

                另外,火箭的整流罩高度也从 8 米缩短到 5.4 米,降低了全箭关键部位受载的同时,发射成本也随之降低。当然,这并全出于成本的考虑。从技术层面出发,因为需要发射的卫星体积较小,重量也更轻,本身也不需要用长八遥一火箭那么大的整流罩。而从气动外形来说,短一点的整流罩可以降低载荷,放宽火箭发射放行条件,提高火箭发射概率,为后续高密度发射奠定基础。

                “共享”模式也是基于成本的考虑——卫星搭载方的成本。此次发射的 22 颗卫星主要为光学遥感卫星,主要用于对地观测、低轨物联网通讯、空间科学试验,可提供资源调查、合成孔径雷达数据支持、物联网分散终端数据采集、在轨科学试验和技术验证、海南及环省海域船只信息收集处理等服务。这些卫星分别来自国内 7 家商业航天企业。当然,费用也是 7 家分摊。

                “简单地说就是拼车方案,为用户提供经济实惠的发射服务,门槛大大降低了。”长八火箭总指挥肖耘说。而有了此次长八遥二火箭的成功探索经验,火箭院在推进共享发射常态化的信心也就更强了。

                目前,长八火箭总装最快是 23 天。然而,总装后,从天津厂房运到发射场,还需要进行火工品安装、单元测试等流程。如果在发射场旁就近建设总装测试厂房,就可以把发射场测试和出厂测试合二为一,节省一系列测试、检查、转运的步骤,压缩火箭在发射场的周期,适应未来市场对长八火箭快速发射的需求。

                经过长八火箭团队的努力,目前,海南总装测试厂房已经开始施工建设,发射工位也正在论证过程中。一旦完成,一周就能实现一次长八火箭发射,一年预计可发射 50 次,“星辰大海”的未来堪称可期。
                (邯郸网站建设

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