“長八遙二”——一箭22星,如何做到的
2022年2月27日,由中國航天科技集團(tuán)有限公司所屬中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院(以下簡稱“火箭院”)抓總研制的長征八號遙二運(yùn)載火箭(以下簡稱“長八遙二”火箭),在中國文昌航天發(fā)射場點(diǎn)火起飛,將22顆衛(wèi)星分別順利送入預(yù)定軌道,發(fā)射任務(wù)取得圓滿成功,創(chuàng)造了我國一箭多星發(fā)射的最高紀(jì)錄。
“本次發(fā)射的22顆衛(wèi)星總計完成12次分離動作,在此過程中,長八火箭宛如跳了一出‘芭蕾’,而22顆星的釋放就如‘天女散花’一般?!被鸺洪L八火箭副總指揮段保成如此比喻道。
怎樣在有限的整流罩空間內(nèi)裝下這么多“乘客”?又如何讓每位“乘客”既坐得舒服,又能安全、準(zhǔn)確地下車?讓我們來看看長八火箭團(tuán)隊給出的高超解決方案吧!
為每顆衛(wèi)星安排舒適的“座位”
一次將這么多衛(wèi)星安全順利送達(dá)目的地,首先要解決“乘客們”在整流罩內(nèi)的布局問題。研制人員充分梳理衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)形式和任務(wù)需求,創(chuàng)新設(shè)計了一款“三層多星分配器”,可以在有限的整流罩空間內(nèi),為每顆衛(wèi)星安排一個舒適的“座位”,并保證衛(wèi)星在不同方向的分離足夠安全。
“由于每顆衛(wèi)星形狀各異,且有多個衛(wèi)星尺寸較大,所以在最初布局時,我們首先考慮的是如何有效利用整流罩內(nèi)的空間包絡(luò)?!睋?jù)火箭院長八火箭副主任設(shè)計師陳曉飛介紹,“三層式多星分配器”從下到上分別由錐形支架、中心承力筒和圓盤平臺組成。其中,錐形支架搭載2顆衛(wèi)星,中心承力筒搭載14顆衛(wèi)星,圓盤平臺搭載6顆衛(wèi)星,完美將22顆衛(wèi)星裝進(jìn)整流罩中。
分批次“下車”更安全
22顆衛(wèi)星,分離時或進(jìn)入預(yù)定軌道飛行時,會不會發(fā)生碰撞?“座椅”有了,要讓這些“乘客”安全準(zhǔn)確地“下車”,團(tuán)隊還要考慮很多問題。
火箭院長八火箭總體副主任設(shè)計師于龍強(qiáng)調(diào),衛(wèi)星到天上后要離開箭體,在此過程中,衛(wèi)星的動力源和解鎖方式會有一些偏差,而不是想象中的靜態(tài)安裝位置在哪里,分離過程中就一定在這個范圍內(nèi)不晃蕩——“某些時候,這些小偏差會使衛(wèi)星之間的距離縮小,威脅到箭體安全”。根據(jù)衛(wèi)星的不同分離機(jī)構(gòu),研制人員結(jié)合實際衛(wèi)星布局位置,對所有的箭體和衛(wèi)星偏差進(jìn)行多輪仿真計算,讓各個衛(wèi)星在近場分離過程中保留一定的動態(tài)間隙,以保證安全性。
此外,衛(wèi)星數(shù)量越多,分離出去后在軌道飛行時碰撞的風(fēng)險就越大,遠(yuǎn)場分離安全性也是研制人員需要考慮的重點(diǎn)。
“22顆衛(wèi)星加上一個火箭末級,就是23個分離體。為了保證它們彼此之間分離的安全性,我們通過計算分析和長周期仿真、觀察、考核,最終決定采取12次分離動作,將22顆衛(wèi)星逐步分離出去,并通過調(diào)整末級箭體的姿態(tài)和不同衛(wèi)星的分離方向,確保各個衛(wèi)星近遠(yuǎn)場安全,讓22顆衛(wèi)星安心‘下車’?!被鸺洪L八火箭軌道設(shè)計師李靜琳說。
然而,要對23個分離體兩兩之間的相對距離進(jìn)行分析,計算量相當(dāng)大。同時,在火箭調(diào)姿過程中,為滿足天基可見的要求,還要保證調(diào)姿角度不能過大,這給研制人員增加了不小難度。
不過,“逢山開路,遇水架橋”,團(tuán)隊專門研制了一個多星遠(yuǎn)場分析工具?!巴ㄟ^一次仿真,就可以自動完成23個分離體各自的速度、位置計算,以及兩兩之間相對位置的計算,不僅大大提高了計算效率,而且提高了遠(yuǎn)場分析的準(zhǔn)確性?!崩铎o琳透露。
共享火箭“拼車”新模式
2020年12月,“長八遙一”火箭成功完成首飛后,并沒有像預(yù)想的那樣有大量訂單蜂擁而至,因為很多衛(wèi)星用戶要求火箭要積累兩到三發(fā)以上的成功子樣,才肯放心交付產(chǎn)品。為了保證能夠在商業(yè)市場持續(xù)“發(fā)聲”,長八火箭團(tuán)隊暗下決心:2021年一定要干出一發(fā)火箭。
目標(biāo)確定了,任務(wù)載荷是什么?沒有現(xiàn)成的任務(wù),就自己去找。以往發(fā)射大的衛(wèi)星,一般投產(chǎn)要2至3年,這次發(fā)射任務(wù)時間緊,大的衛(wèi)星來不及研制,團(tuán)隊便將視線轉(zhuǎn)移到小衛(wèi)星。
截至2020年年底,國內(nèi)注冊的衛(wèi)星單位有80多家,其中小衛(wèi)星占據(jù)了主要份額,在未來的商業(yè)市場具有很大的潛力。但一次任務(wù)如果只打一顆三四百公斤重的小衛(wèi)星,對于長八火箭的能力來說未免太浪費(fèi)。為此,團(tuán)隊提出了“共享發(fā)射”的新模式,由多個小衛(wèi)星“拼車”完成任務(wù),既可充分發(fā)揮火箭能力,又能有效滿足市場需求。
大半年時間里,團(tuán)隊奔波各地,跑了20多家衛(wèi)星單位,把符合發(fā)射條件的衛(wèi)星都篩選了一遍。在充分考慮衛(wèi)星經(jīng)費(fèi)、研制進(jìn)度、軌道需求、發(fā)射時間等要求后,最終確定了7家單位的22顆衛(wèi)星。
有了這次“長八遙二”火箭的成功探索,火箭院計劃推進(jìn)共享發(fā)射的常態(tài)化?!拔磥恚祟愡M(jìn)入太空的需求越來越大,空間的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求越來越大。因此,改變發(fā)射場流程、縮短火箭研制周期迫在眉睫?!被鸺洪L八火箭總指揮肖耘指出。
目前,長八火箭總裝最快是23天,但總裝后從天津廠房運(yùn)到發(fā)射場,還需要進(jìn)行火工品安裝、單元測試等工作,周期仍比較長。在肖耘及團(tuán)隊成員看來,如果在發(fā)射場旁就近建設(shè)總裝測試廠房,把發(fā)射場測試和出廠測試合二為一,火箭總裝、測試后直接就到塔架上準(zhǔn)備發(fā)射,就能節(jié)省一系列測試、檢查、轉(zhuǎn)運(yùn)的步驟,極大壓縮火箭在發(fā)射場的周期,適應(yīng)未來市場對長八火箭快速發(fā)射的需求。
據(jù)悉,海南總裝測試廠房已經(jīng)開始施工建設(shè),發(fā)射工位也正在論證過程中?!皩脮r,7天就能實現(xiàn)一次長八火箭發(fā)射,一年可發(fā)射50發(fā)?!毙ぴ磐嘎?。
(光明日報北京2月27日電 光明日報記者 張蕾 光明日報通訊員 桑茜 王冰)
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