22顆衛(wèi)星如何順利“上車(chē)”
長(zhǎng)八遙二火箭創(chuàng)我國(guó)一箭多星最高紀(jì)錄
□ 本報(bào)記者 廉穎婷
□ 本報(bào)通訊員 桑 茜 王 冰
2月27日11時(shí)06分，由中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司所屬中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“火箭院”)研制的長(zhǎng)征八號(hào)遙二運(yùn)載火箭(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“長(zhǎng)八遙二火箭”)，在海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)點(diǎn)火起飛，隨后將托舉的22顆衛(wèi)星分別順利送入預(yù)定軌道，創(chuàng)造了我國(guó)一箭多星發(fā)射的最高紀(jì)錄。
此次長(zhǎng)八遙二火箭發(fā)射，是新一代運(yùn)載火箭在今年的首次飛行，也是型號(hào)不帶助推器的新構(gòu)型首飛。
一年時(shí)間完成火箭總裝總測(cè)
2020年12月，成功首飛的長(zhǎng)征八號(hào)火箭是我國(guó)新一代主力中型運(yùn)載火箭，填補(bǔ)了我國(guó)太陽(yáng)同步軌道運(yùn)載能力3噸至4.5噸的能力空白，可以承擔(dān)80%以上的中低軌發(fā)射任務(wù)。
“與長(zhǎng)征八號(hào)遙一運(yùn)載火箭(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“長(zhǎng)八遙一火箭”)相比，長(zhǎng)八遙二火箭在外形上最大的區(qū)別，就是取消了兩個(gè)助推器，從兩級(jí)半構(gòu)型變成兩級(jí)串聯(lián)構(gòu)型。自成功首飛到長(zhǎng)八遙二火箭完成總裝總測(cè)、具備出廠條件，研制團(tuán)隊(duì)僅用了1年時(shí)間，這歸功于火箭所采用的‘模塊化’‘組合化’設(shè)計(jì)思路�！被鸺洪L(zhǎng)征八號(hào)火箭副主任設(shè)計(jì)師陳曉飛說(shuō)。
早在研制伊始，設(shè)計(jì)人員就充分兼顧了火箭不帶助推器的狀態(tài)，并納入長(zhǎng)八遙一火箭的考核包絡(luò)中。因此，長(zhǎng)八遙二火箭無(wú)需進(jìn)行大規(guī)模更改，只需針對(duì)載荷、飛行軌道進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，就能高效地滿(mǎn)足任務(wù)要求。
值得一提的是，長(zhǎng)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(guān)鍵部位受載降低。這樣一來(lái)，火箭發(fā)射的放行條件可以適當(dāng)放寬，有利于提高任務(wù)的發(fā)射概率，從而進(jìn)一步提升火箭的任務(wù)適應(yīng)性。
22顆衛(wèi)星完美裝進(jìn)整流罩
長(zhǎng)八遙二火箭整流罩直徑為4.2米，在有限的空間內(nèi)，要實(shí)現(xiàn)一箭發(fā)射22顆衛(wèi)星，第一步是要把這些衛(wèi)星合理布局在整流罩里。
設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)對(duì)傳統(tǒng)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)進(jìn)行梳理，最后設(shè)計(jì)出新的“三層式多星分配器”，為22名“乘客”提供三層“座椅”。“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(pán)平臺(tái)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(pán)平臺(tái)搭載6顆衛(wèi)星，完美將22顆衛(wèi)星裝進(jìn)整流罩中，并且能夠保證衛(wèi)星不同方向的分離安全。
據(jù)火箭院長(zhǎng)征八號(hào)火箭總體副主任設(shè)計(jì)師于龍介紹，多星分配器最下層的錐形支架，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)沿用的是長(zhǎng)八遙一火箭的結(jié)構(gòu)；中心承力筒也是成熟的結(jié)構(gòu)，能夠盡可能利用整流罩的空間，在側(cè)壁多掛衛(wèi)星。對(duì)于一些直徑較大、不適合側(cè)掛的衛(wèi)星，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)則在中心承力筒上方新設(shè)計(jì)了一個(gè)圓盤(pán)平臺(tái)，讓大直徑衛(wèi)星安裝操作更簡(jiǎn)潔，分離方向上也沒(méi)有其他衛(wèi)星干涉。
“在分配器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，我們采取‘模塊化’設(shè)計(jì)，將現(xiàn)有的、成熟的結(jié)構(gòu)拼接在一起形成新的結(jié)構(gòu)形式，達(dá)到‘1+1＞2’的效果，同時(shí)節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間，提高研制效率，能快速滿(mǎn)足衛(wèi)星方發(fā)射的需求�！庇邶堈f(shuō)。
衛(wèi)星雖然能裝進(jìn)整流罩，但在有限的空間內(nèi)，衛(wèi)星數(shù)量越多，星和星的間隙肯定就越小，在對(duì)接操作時(shí)的難度也就越大。在設(shè)計(jì)之初，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)就對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工裝設(shè)備、人員操作位置等進(jìn)行考慮，將衛(wèi)星安裝操作可達(dá)性納入分配器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。
為了方便安裝操作，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)專(zhuān)門(mén)在圓盤(pán)平臺(tái)中間開(kāi)了個(gè)孔，方便操作人員進(jìn)入，并通過(guò)星箭聯(lián)合操作試驗(yàn)，不斷調(diào)整衛(wèi)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(wèi)星能順利“上車(chē)”。
確保各衛(wèi)星近遠(yuǎn)場(chǎng)安全
“本次任務(wù)需完成22星分離，共計(jì)完成12次分離動(dòng)作，創(chuàng)造了中國(guó)航天的新紀(jì)錄�？梢赃@么說(shuō)，星箭分離中，長(zhǎng)八遙二火箭宛如跳了一出芭蕾，最終22顆衛(wèi)星的釋放就如天女散花一般�！被鸺洪L(zhǎng)征八號(hào)火箭副總指揮段保成說(shuō)。
這22顆衛(wèi)星分離時(shí)會(huì)不會(huì)碰撞？進(jìn)入預(yù)定軌道飛行時(shí)會(huì)不會(huì)碰撞？
研制團(tuán)隊(duì)在完成多星分配器的設(shè)計(jì)工作后，專(zhuān)門(mén)開(kāi)展了星箭聯(lián)合操作試驗(yàn)，在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)衛(wèi)星的安裝操作順序以及布局位置進(jìn)行了調(diào)整，并通過(guò)多輪仿真計(jì)算對(duì)星箭分離動(dòng)作進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保衛(wèi)星從“上車(chē)”到“下車(chē)”全過(guò)程的安全。
設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)首先要考慮的是衛(wèi)星近場(chǎng)分離安全性。于龍表示，衛(wèi)星上天后要離開(kāi)箭體，在這個(gè)過(guò)程中，衛(wèi)星的動(dòng)力源和解鎖方式會(huì)有一些偏差，不是想象中的靜態(tài)安裝位置在哪里，分離過(guò)程中就一定在這個(gè)范圍內(nèi)不晃蕩。某些時(shí)候，這些小偏差會(huì)使得衛(wèi)星與衛(wèi)星之間距離縮小，威脅到箭體安全。
根據(jù)衛(wèi)星的不同分離機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)結(jié)合實(shí)際衛(wèi)星布局位置，對(duì)所有箭體和衛(wèi)星偏差進(jìn)行多輪仿真計(jì)算，讓各衛(wèi)星之間保留一定的近場(chǎng)分離過(guò)程中的動(dòng)態(tài)間隙，保證近場(chǎng)分離安全性。
“衛(wèi)星數(shù)量越多，分離出去后在軌道飛行碰撞的風(fēng)險(xiǎn)就越大，遠(yuǎn)場(chǎng)分離安全性也是設(shè)計(jì)人員需要考慮的重點(diǎn)�！被鸺洪L(zhǎng)征八號(hào)火箭軌道設(shè)計(jì)師李靜琳說(shuō)，分離速度、分離方向、分離順序是影響衛(wèi)星后續(xù)運(yùn)動(dòng)軌跡的關(guān)鍵因素。
22顆衛(wèi)星加上一個(gè)火箭末級(jí)就是23個(gè)分離體，為保證彼此之間分離的安全性，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)計(jì)算分析每一顆衛(wèi)星運(yùn)行的軌道參數(shù)，對(duì)23個(gè)分離體兩兩之間的相對(duì)距離進(jìn)行長(zhǎng)周期的仿真、觀察和考核，并根據(jù)衛(wèi)星布局設(shè)計(jì)分離方案，最終采取了12次分離動(dòng)作，依次將22顆衛(wèi)星逐步分離出去，并通過(guò)不斷調(diào)整末級(jí)箭體的姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)不同衛(wèi)星的分離方向調(diào)整，確保各個(gè)衛(wèi)星近遠(yuǎn)場(chǎng)安全，讓22顆衛(wèi)星安心“下車(chē)”。
在分離動(dòng)作設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)也遇到了重重困難。要對(duì)23個(gè)分離體兩兩之間的相對(duì)距離進(jìn)行分析，計(jì)算量非常大。同時(shí)，在火箭調(diào)姿過(guò)程中，為了滿(mǎn)足天基可見(jiàn)的要求，要保證箭體調(diào)姿角度不能過(guò)大，對(duì)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)又增加了一個(gè)難度。
面對(duì)巨大的計(jì)算量，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)專(zhuān)門(mén)研制了“多星遠(yuǎn)場(chǎng)分析工具”�！安捎眠@個(gè)分析工具后，我們通過(guò)一次仿真，就可以自動(dòng)完成23個(gè)分離體各自的速度位置計(jì)算，以及兩兩之間相對(duì)位置的計(jì)算，不僅大幅提高計(jì)算效率，而且提高了遠(yuǎn)場(chǎng)分析的準(zhǔn)確性。”李靜琳說(shuō)。