长八遥二火箭创我国一箭多星最高纪录

  22颗卫星如何顺利“上车”  长八遥二火箭创我国一箭多星最高纪录  □ 本报记者  廉颖婷  □ 本报通讯员 桑 茜 王 冰  2月27日11时06分,由

  22颗卫星如何顺利“上车”

  长八遥二火箭创我国一箭多星最高纪录

  □ 本报记者  廉颖婷

  □ 本报通讯员 桑 茜 王 冰

  2月27日11时06分,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”)研制的长征八号遥二运载火箭(以下简称“长八遥二火箭”),在海南文昌航天发射场点火起飞,随后将托举的22颗卫星分别顺利送入预定轨道,创造了我国一箭多星发射的最高纪录。

  此次长八遥二火箭发射,是新一代运载火箭在今年的首次飞行,也是型号不带助推器的新构型首飞。

  一年时间完成火箭总装总测

  2020年12月,成功首飞的长征八号火箭是我国新一代主力中型运载火箭,填补了我国太阳同步轨道运载能力3吨至4.5吨的能力空白,可以承担80%以上的中低轨发射任务。

  “与长征八号遥一运载火箭(以下简称“长八遥一火箭”)相比,长八遥二火箭在外形上最大的区别,就是取消了两个助推器,从两级半构型变成两级串联构型。自成功首飞到长八遥二火箭完成总装总测、具备出厂条件,研制团队仅用了1年时间,这归功于火箭所采用的‘模块化’‘组合化’设计思路。”火箭院长征八号火箭副主任设计师陈晓飞说。

  早在研制伊始,设计人员就充分兼顾了火箭不带助推器的状态,并纳入长八遥一火箭的考核包络中。因此,长八遥二火箭无需进行大规模更改,只需针对载荷、飞行轨道进行适应性调整,就能高效地满足任务要求。

  值得一提的是,长八遥二火箭的整流罩高度从8米缩短到5.4米,使得全箭关键部位受载降低。这样一来,火箭发射的放行条件可以适当放宽,有利于提高任务的发射概率,从而进一步提升火箭的任务适应性。

  22颗卫星完美装进整流罩

  长八遥二火箭整流罩直径为4.2米,在有限的空间内,要实现一箭发射22颗卫星,第一步是要把这些卫星合理布局在整流罩里。

  设计团队对传统卫星结构进行梳理,最后设计出新的“三层式多星分配器”,为22名“乘客”提供三层“座椅”。“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,并且能够保证卫星不同方向的分离安全。

  据火箭院长征八号火箭总体副主任设计师于龙介绍,多星分配器最下层的锥形支架,设计团队沿用的是长八遥一火箭的结构;中心承力筒也是成熟的结构,能够尽可能利用整流罩的空间,在侧壁多挂卫星。对于一些直径较大、不适合侧挂的卫星,设计团队则在中心承力筒上方新设计了一个圆盘平台,让大直径卫星安装操作更简洁,分离方向上也没有其他卫星干涉。

  “在分配器结构设计上,我们采取‘模块化’设计,将现有的、成熟的结构拼接在一起形成新的结构形式,达到‘1+1>2’的效果,同时节省了设计时间,提高研制效率,能快速满足卫星方发射的需求。”于龙说。

  卫星虽然能装进整流罩,但在有限的空间内,卫星数量越多,星和星的间隙肯定就越小,在对接操作时的难度也就越大。在设计之初,设计团队就对现场工装设备、人员操作位置等进行考虑,将卫星安装操作可达性纳入分配器结构设计中。

  为了方便安装操作,设计团队专门在圆盘平台中间开了个孔,方便操作人员进入,并通过星箭联合操作试验,不断调整卫星安装操作的顺序及布局的位置,确保操作人员上箭操作的安全性,让22颗卫星能顺利“上车”。

  确保各卫星近远场安全

  “本次任务需完成22星分离,共计完成12次分离动作,创造了中国航天的新纪录。可以这么说,星箭分离中,长八遥二火箭宛如跳了一出芭蕾,最终22颗卫星的释放就如天女散花一般。”火箭院长征八号火箭副总指挥段保成说。

  这22颗卫星分离时会不会碰撞?进入预定轨道飞行时会不会碰撞?

  研制团队在完成多星分配器的设计工作后,专门开展了星箭联合操作试验,在试验过程中对卫星的安装操作顺序以及布局位置进行了调整,并通过多轮仿真计算对星箭分离动作进行了优化设计,确保卫星从“上车”到“下车”全过程的安全。

  设计团队首先要考虑的是卫星近场分离安全性。于龙表示,卫星上天后要离开箭体,在这个过程中,卫星的动力源和解锁方式会有一些偏差,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,这些小偏差会使得卫星与卫星之间距离缩小,威胁到箭体安全。

  根据卫星的不同分离机构,设计团队结合实际卫星布局位置,对所有箭体和卫星偏差进行多轮仿真计算,让各卫星之间保留一定的近场分离过程中的动态间隙,保证近场分离安全性。

  “卫星数量越多,分离出去后在轨道飞行碰撞的风险就越大,远场分离安全性也是设计人员需要考虑的重点。”火箭院长征八号火箭轨道设计师李静琳说,分离速度、分离方向、分离顺序是影响卫星后续运动轨迹的关键因素。

  22颗卫星加上一个火箭末级就是23个分离体,为保证彼此之间分离的安全性,设计团队计算分析每一颗卫星运行的轨道参数,对23个分离体两两之间的相对距离进行长周期的仿真、观察和考核,并根据卫星布局设计分离方案,最终采取了12次分离动作,依次将22颗卫星逐步分离出去,并通过不断调整末级箭体的姿态,实现不同卫星的分离方向调整,确保各个卫星近远场安全,让22颗卫星安心“下车”。

  在分离动作设计过程中,设计团队也遇到了重重困难。要对23个分离体两两之间的相对距离进行分析,计算量非常大。同时,在火箭调姿过程中,为了满足天基可见的要求,要保证箭体调姿角度不能过大,对设计团队又增加了一个难度。

  面对巨大的计算量,设计团队专门研制了“多星远场分析工具”。“采用这个分析工具后,我们通过一次仿真,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,不仅大幅提高计算效率,而且提高了远场分析的准确性。”李静琳说。

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