作者:张蕾 桑茜 王冰 来源:光明日报 发布时间:2022/2/28 9:56:46
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“长八遥二”——
一箭22星,如何做到的

 

2022年2月27日,由中国航天科技集团有限公司所属中国运载火箭技术研究院(以下简称“火箭院”)抓总研制的长征八号遥二运载火箭(以下简称“长八遥二”火箭),在中国文昌航天发射场点火起飞,将22颗卫星分别顺利送入预定轨道,发射任务取得圆满成功,创造了我国一箭多星发射的最高纪录。

“本次发射的22颗卫星总计完成12次分离动作,在此过程中,长八火箭宛如跳了一出‘芭蕾’,而22颗星的释放就如‘天女散花’一般。”火箭院长八火箭副总指挥段保成如此比喻道。

怎样在有限的整流罩空间内装下这么多“乘客”?又如何让每位“乘客”既坐得舒服,又能安全、准确地下车?让我们来看看长八火箭团队给出的高超解决方案吧!

为每颗卫星安排舒适的“座位”

一次将这么多卫星安全顺利送达目的地,首先要解决“乘客们”在整流罩内的布局问题。研制人员充分梳理卫星的结构形式和任务需求,创新设计了一款“三层多星分配器”,可以在有限的整流罩空间内,为每颗卫星安排一个舒适的“座位”,并保证卫星在不同方向的分离足够安全。

“由于每颗卫星形状各异,且有多个卫星尺寸较大,所以在最初布局时,我们首先考虑的是如何有效利用整流罩内的空间包络。”据火箭院长八火箭副主任设计师陈晓飞介绍,“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。其中,锥形支架搭载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,完美将22颗卫星装进整流罩中。

分批次“下车”更安全

22颗卫星,分离时或进入预定轨道飞行时,会不会发生碰撞?“座椅”有了,要让这些“乘客”安全准确地“下车”,团队还要考虑很多问题。

火箭院长八火箭总体副主任设计师于龙强调,卫星到天上后要离开箭体,在此过程中,卫星的动力源和解锁方式会有一些偏差,而不是想象中的静态安装位置在哪里,分离过程中就一定在这个范围内不晃荡——“某些时候,这些小偏差会使卫星之间的距离缩小,威胁到箭体安全”。根据卫星的不同分离机构,研制人员结合实际卫星布局位置,对所有的箭体和卫星偏差进行多轮仿真计算,让各个卫星在近场分离过程中保留一定的动态间隙,以保证安全性。

此外,卫星数量越多,分离出去后在轨道飞行时碰撞的风险就越大,远场分离安全性也是研制人员需要考虑的重点。

“22颗卫星加上一个火箭末级,就是23个分离体。为了保证它们彼此之间分离的安全性,我们通过计算分析和长周期仿真、观察、考核,最终决定采取12次分离动作,将22颗卫星逐步分离出去,并通过调整末级箭体的姿态和不同卫星的分离方向,确保各个卫星近远场安全,让22颗卫星安心‘下车’。”火箭院长八火箭轨道设计师李静琳说。

然而,要对23个分离体两两之间的相对距离进行分析,计算量相当大。同时,在火箭调姿过程中,为满足天基可见的要求,还要保证调姿角度不能过大,这给研制人员增加了不小难度。

不过,“逢山开路,遇水架桥”,团队专门研制了一个多星远场分析工具。“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,不仅大大提高了计算效率,而且提高了远场分析的准确性。”李静琳透露。

共享火箭“拼车”新模式

2020年12月,“长八遥一”火箭成功完成首飞后,并没有像预想的那样有大量订单蜂拥而至,因为很多卫星用户要求火箭要积累两到三发以上的成功子样,才肯放心交付产品。为了保证能够在商业市场持续“发声”,长八火箭团队暗下决心:2021年一定要干出一发火箭。

目标确定了,任务载荷是什么?没有现成的任务,就自己去找。以往发射大的卫星,一般投产要2至3年,这次发射任务时间紧,大的卫星来不及研制,团队便将视线转移到小卫星。

截至2020年年底,国内注册的卫星单位有80多家,其中小卫星占据了主要份额,在未来的商业市场具有很大的潜力。但一次任务如果只打一颗三四百公斤重的小卫星,对于长八火箭的能力来说未免太浪费。为此,团队提出了“共享发射”的新模式,由多个小卫星“拼车”完成任务,既可充分发挥火箭能力,又能有效满足市场需求。

大半年时间里,团队奔波各地,跑了20多家卫星单位,把符合发射条件的卫星都筛选了一遍。在充分考虑卫星经费、研制进度、轨道需求、发射时间等要求后,最终确定了7家单位的22颗卫星。

有了这次“长八遥二”火箭的成功探索,火箭院计划推进共享发射的常态化。“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。”火箭院长八火箭总指挥肖耘指出。

目前,长八火箭总装最快是23天,但总装后从天津厂房运到发射场,还需要进行火工品安装、单元测试等工作,周期仍比较长。在肖耘及团队成员看来,如果在发射场旁就近建设总装测试厂房,把发射场测试和出厂测试合二为一,火箭总装、测试后直接就到塔架上准备发射,就能节省一系列测试、检查、转运的步骤,极大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。

据悉,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。“届时,7天就能实现一次长八火箭发射,一年可发射50发。”肖耘透露。

(本报北京2月27日电 本报记者 张蕾 本报通讯员 桑茜 王冰)

 
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