“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有限公司所屬中國運載火箭技術研究院(以下簡稱“火箭院”)抓總研制的長征八號遙二運載火箭(以下簡稱“長八遙二”火箭),在中國文昌航天發射場點火起飛,將22顆衛星分別順利送入預定軌道,發射任務取得圓滿成功,創造了我國一箭多星發射的最高紀錄。
“本次發射的22顆衛星總計完成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。”火箭院長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、準確地下車?讓我們來看看長八火箭團隊給出的高超解決方案吧!
為每顆衛星安排舒適的“座位”
一次將這么多衛星安全順利送達目的地,首先要解決“乘客們”在整流罩內的布局問題。研制人員充分梳理衛星的結構形式和任務需求,創新設計了一款“三層多星分配器”,可以在有限的整流罩空間內,為每顆衛星安排一個舒適的“座位”,并保證衛星在不同方向的分離足夠安全。
“由于每顆衛星形狀各異,且有多個衛星尺寸較大,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的空間包絡。”據火箭院長八火箭副主任設計師陳曉飛介紹,“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顆衛星,中心承力筒搭載14顆衛星,圓盤平臺搭載6顆衛星,完美將22顆衛星裝進整流罩中。
分批次“下車”更安全
22顆衛星,分離時或進入預定軌道飛行時,會不會發生碰撞?“座椅”有了,要讓這些“乘客”安全準確地“下車”,團隊還要考慮很多問題。
火箭院長八火箭總體副主任設計師于龍強調,衛星到天上后要離開箭體,在此過程中,衛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安裝位置在哪里,分離過程中就一定在這個范圍內不晃蕩——“某些時候,這些小偏差會使衛星之間的距離縮小,威脅到箭體安全”。根據衛星的不同分離機構,研制人員結合實際衛星布局位置,對所有的箭體和衛星偏差進行多輪仿真計算,讓各個衛星在近場分離過程中保留一定的動態間隙,以保證安全性。
此外,衛星數量越多,分離出去后在軌道飛行時碰撞的風險就越大,遠場分離安全性也是研制人員需要考慮的重點。
“22顆衛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顆衛星逐步分離出去,并通過調整末級箭體的姿態和不同衛星的分離方向,確保各個衛星近遠場安全,讓22顆衛星安心‘下車’。”火箭院長八火箭軌道設計師李靜琳說。
然而,要對23個分離體兩兩之間的相對距離進行分析,計算量相當大。同時,在火箭調姿過程中,為滿足天基可見的要求,還要保證調姿角度不能過大,這給研制人員增加了不小難度。
不過,“逢山開路,遇水架橋”,團隊專門研制了一個多星遠場分析工具。“通過一次仿真,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,而且提高了遠場分析的準確性。”李靜琳透露。
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,并沒有像預想的那樣有大量訂單蜂擁而至,因為很多衛星用戶要求火箭要積累兩到三發以上的成功子樣,才肯放心交付產品。為了保證能夠在商業市場持續“發聲”,長八火箭團隊暗下決心:2021年一定要干出一發火箭。
目標確定了,任務載荷是什么?沒有現成的任務,就自己去找。以往發射大的衛星,一般投產要2至3年,這次發射任務時間緊,大的衛星來不及研制,團隊便將視線轉移到小衛星。
截至2020年年底,國內注冊的衛星單位有80多家,其中小衛星占據了主要份額,在未來的商業市場具有很大的潛力。但一次任務如果只打一顆三四百公斤重的小衛星,對于長八火箭的能力來說未免太浪費。為此,團隊提出了“共享發射”的新模式,由多個小衛星“拼車”完成任務,既可充分發揮火箭能力,又能有效滿足市場需求。
大半年時間里,團隊奔波各地,跑了20多家衛星單位,把符合發射條件的衛星都篩選了一遍。在充分考慮衛星經費、研制進度、軌道需求、發射時間等要求后,最終確定了7家單位的22顆衛星。
有了這次“長八遙二”火箭的成功探索,火箭院計劃推進共享發射的常態化。“未來,人類進入太空的需求越來越大,空間的基礎設施建設需求越來越大。因此,改變發射場流程、縮短火箭研制周期迫在眉睫。”火箭院長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到發射場,還需要進行火工品安裝、單元測試等工作,周期仍比較長。在肖耘及團隊成員看來,如果在發射場旁就近建設總裝測試廠房,把發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備發射,就能節省一系列測試、檢查、轉運的步驟,極大壓縮火箭在發射場的周期,適應未來市場對長八火箭快速發射的需求。
據悉,海南總裝測試廠房已經開始施工建設,發射工位也正在論證過程中。“屆時,7天就能實現一次長八火箭發射,一年可發射50發。”肖耘透露。
(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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