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長八遙二火箭創我國一箭多星最高紀錄
22顆衛星如何順利“上車”
發布時間:2022-03-07 16:49 星期一
來源:法治日報——法治網

圖為長征八號遙二運載火箭。 宋濤 攝

□ 法治日報全媒體記者 廉穎婷 通訊員 桑 茜 王 冰

2月27日11時06分,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”)研制的長征八號遙二運載火箭(以下簡稱“長八遙二火箭”),在海南文昌航天發射場點火起飛,隨后將托舉的22顆衛星分別順利送入預定軌道,創造了我國一箭多星發射的最高紀錄。

此次長八遙二火箭發射,是新一代運載火箭在今年的首次飛行,也是型號不帶助推器的新構型首飛。

一年時間完成火箭總裝總測

2020年12月,成功首飛的長征八號火箭是我國新一代主力中型運載火箭,填補了我國太陽同步軌道運載能力3噸至4.5噸的能力空白,可以承擔80%以上的中低軌發射任務。

“與長征八號遙一運載火箭(以下簡稱“長八遙一火箭”)相比,長八遙二火箭在外形上最大的區別,就是取消了兩個助推器,從兩級半構型變成兩級串聯構型。自成功首飛到長八遙二火箭完成總裝總測、具備出廠條件,研制團隊僅用了1年時間,這歸功于火箭所采用的‘模塊化’‘組合化’設計思路?!被鸺洪L征八號火箭副主任設計師陳曉飛說。

早在研制伊始,設計人員就充分兼顧了火箭不帶助推器的狀態,并納入長八遙一火箭的考核包絡中。因此,長八遙二火箭無需進行大規模更改,只需針對載荷、飛行軌道進行適應性調整,就能高效地滿足任務要求。

值得一提的是,長八遙二火箭的整流罩高度從8米縮短到5.4米,使得全箭關鍵部位受載降低。這樣一來,火箭發射的放行條件可以適當放寬,有利于提高任務的發射概率,從而進一步提升火箭的任務適應性。

22顆衛星完美裝進整流罩

長八遙二火箭整流罩直徑為4.2米,在有限的空間內,要實現一箭發射22顆衛星,第一步是要把這些衛星合理布局在整流罩里。

設計團隊對傳統衛星結構進行梳理,最后設計出新的“三層式多星分配器”,為22名“乘客”提供三層“座椅”?!叭龑邮蕉嘈欠峙淦鳌睆南碌缴戏謩e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,并且能夠保證衛星不同方向的分離安全。

據火箭院長征八號火箭總體副主任設計師于龍介紹,多星分配器最下層的錐形支架,設計團隊沿用的是長八遙一火箭的結構;中心承力筒也是成熟的結構,能夠盡可能利用整流罩的空間,在側壁多掛衛星。對于一些直徑較大、不適合側掛的衛星,設計團隊則在中心承力筒上方新設計了一個圓盤平臺,讓大直徑衛星安裝操作更簡潔,分離方向上也沒有其他衛星干涉。

“在分配器結構設計上,我們采取‘模塊化’設計,將現有的、成熟的結構拼接在一起形成新的結構形式,達到‘1+1>2’的效果,同時節省了設計時間,提高研制效率,能快速滿足衛星方發射的需求?!庇邶堈f。

衛星雖然能裝進整流罩,但在有限的空間內,衛星數量越多,星和星的間隙肯定就越小,在對接操作時的難度也就越大。在設計之初,設計團隊就對現場工裝設備、人員操作位置等進行考慮,將衛星安裝操作可達性納入分配器結構設計中。

為了方便安裝操作,設計團隊專門在圓盤平臺中間開了個孔,方便操作人員進入,并通過星箭聯合操作試驗,不斷調整衛星安裝操作的順序及布局的位置,確保操作人員上箭操作的安全性,讓22顆衛星能順利“上車”。

確保各衛星近遠場安全

“本次任務需完成22星分離,共計完成12次分離動作,創造了中國航天的新紀錄??梢赃@么說,星箭分離中,長八遙二火箭宛如跳了一出芭蕾,最終22顆衛星的釋放就如天女散花一般?!被鸺洪L征八號火箭副總指揮段保成說。

這22顆衛星分離時會不會碰撞?進入預定軌道飛行時會不會碰撞?

研制團隊在完成多星分配器的設計工作后,專門開展了星箭聯合操作試驗,在試驗過程中對衛星的安裝操作順序以及布局位置進行了調整,并通過多輪仿真計算對星箭分離動作進行了優化設計,確保衛星從“上車”到“下車”全過程的安全。

設計團隊首先要考慮的是衛星近場分離安全性。于龍表示,衛星上天后要離開箭體,在這個過程中,衛星的動力源和解鎖方式會有一些偏差,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,這些小偏差會使得衛星與衛星之間距離縮小,威脅到箭體安全。

根據衛星的不同分離機構,設計團隊結合實際衛星布局位置,對所有箭體和衛星偏差進行多輪仿真計算,讓各衛星之間保留一定的近場分離過程中的動態間隙,保證近場分離安全性。

“衛星數量越多,分離出去后在軌道飛行碰撞的風險就越大,遠場分離安全性也是設計人員需要考慮的重點?!被鸺洪L征八號火箭軌道設計師李靜琳說,分離速度、分離方向、分離順序是影響衛星后續運動軌跡的關鍵因素。

22顆衛星加上一個火箭末級就是23個分離體,為保證彼此之間分離的安全性,設計團隊計算分析每一顆衛星運行的軌道參數,對23個分離體兩兩之間的相對距離進行長周期的仿真、觀察和考核,并根據衛星布局設計分離方案,最終采取了12次分離動作,依次將22顆衛星逐步分離出去,并通過不斷調整末級箭體的姿態,實現不同衛星的分離方向調整,確保各個衛星近遠場安全,讓22顆衛星安心“下車”。

在分離動作設計過程中,設計團隊也遇到了重重困難。要對23個分離體兩兩之間的相對距離進行分析,計算量非常大。同時,在火箭調姿過程中,為了滿足天基可見的要求,要保證箭體調姿角度不能過大,對設計團隊又增加了一個難度。

面對巨大的計算量,設計團隊專門研制了“多星遠場分析工具”?!安捎眠@個分析工具后,我們通過一次仿真,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,不僅大幅提高計算效率,而且提高了遠場分析的準確性?!崩铎o琳說。

責任編輯:張美欣
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