22顆衛(wèi)星如何順利“上車”
長八遙二火箭創(chuàng)我國一箭多星最高紀錄
□ 本報記者 廉穎婷
□ 本報通訊員 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(fā)射場點火起飛，隨后將托舉的22顆衛(wèi)星分別順利送入預定軌道，創(chuàng)造了我國一箭多星發(fā)射的最高紀錄。
此次長八遙二火箭發(fā)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(gòu)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(fā)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(qū)別，就是取消了兩個助推器，從兩級半構(gòu)型變成兩級串聯(lián)構(gòu)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。”火箭院長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(tài)，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(guī)模更改，只需針對載荷、飛行軌道進行適應性調(diào)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(fā)射的放行條件可以適當放寬，有利于提高任務的發(fā)射概率，從而進一步提升火箭的任務適應性。
22顆衛(wèi)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(nèi)，要實現(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。
設計團隊對傳統(tǒng)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)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”。“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(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。對于一些直徑較大、不適合側(cè)掛的衛(wèi)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(wèi)星安裝操作更簡潔，分離方向上也沒有其他衛(wèi)星干涉。
“在分配器結(jié)構(gòu)設計上，我們采取‘模塊化’設計，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，達到‘1+1＞2’的效果，同時節(jié)省了設計時間，提高研制效率，能快速滿足衛(wèi)星方發(fā)射的需求。”于龍說。
衛(wèi)星雖然能裝進整流罩，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，在對接操作時的難度也就越大。在設計之初，設計團隊就對現(xiàn)場工裝設備、人員操作位置等進行考慮，將衛(wèi)星安裝操作可達性納入分配器結(jié)構(gòu)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(lián)合操作試驗，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”。
確保各衛(wèi)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(chuàng)造了中國航天的新紀錄。可以這么說，星箭分離中，長八遙二火箭宛如跳了一出芭蕾，最終22顆衛(wèi)星的釋放就如天女散花一般。”火箭院長征八號火箭副總指揮段保成說。
這22顆衛(wèi)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(lián)合操作試驗，在試驗過程中對衛(wèi)星的安裝操作順序以及布局位置進行了調(diào)整，并通過多輪仿真計算對星箭分離動作進行了優(yōu)化設計，確保衛(wèi)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(wèi)星近場分離安全性。于龍表示，衛(wèi)星上天后要離開箭體，在這個過程中，衛(wèi)星的動力源和解鎖方式會有一些偏差，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)星的不同分離機構(gòu)，設計團隊結(jié)合實際衛(wèi)星布局位置，對所有箭體和衛(wèi)星偏差進行多輪仿真計算，讓各衛(wèi)星之間保留一定的近場分離過程中的動態(tài)間隙，保證近場分離安全性。
“衛(wèi)星數(shù)量越多，分離出去后在軌道飛行碰撞的風險就越大，遠場分離安全性也是設計人員需要考慮的重點。”火箭院長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(wèi)星后續(xù)運動軌跡的關鍵因素。
22顆衛(wèi)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(wèi)星運行的軌道參數(shù)，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(jù)衛(wèi)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(wèi)星逐步分離出去，并通過不斷調(diào)整末級箭體的姿態(tài)，實現(xiàn)不同衛(wèi)星的分離方向調(diào)整，確保各個衛(wèi)星近遠場安全，讓22顆衛(wèi)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(diào)姿過程中，為了滿足天基可見的要求，要保證箭體調(diào)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”。“采用這個分析工具后，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。”李靜琳說。