中國“太空擺渡車”將增新成員,上麵級技術已達世界先進水平

來源:澎湃新聞 2018-02-12 19:41:00

長征三號乙運載火箭在西昌衛星發射中心成功發射升空。澎湃新聞記者 趙昀 圖

2月12日,與火箭第三級分離後,“遠征一號”上麵級承載著“北鬥三號”衛星向預定軌道飛去。約3個半小時後,“遠征一號”上麵級將衛星送入目標軌道,發射任務取得圓滿成功。本次發射任務是“遠征一號”上麵級第六次執行發射飛行任務,也是“遠征”家族的第八次成功飛行。

“太空擺渡車”國產化比例提高

據“遠征一號”上麵級研製人員介紹,采用上麵級一箭雙星直接入軌發射也是未來北鬥三號衛星工程的主要發射方式。“上麵級”是一種運載工具,主要安裝在基礎級運載器(火箭、航天飛機等)上麵。基礎級運載器發射進入準地球軌道或地球軌道,上麵級依靠自身動力進一步將有效載荷(如衛星、空間探測器等)送入預定工作軌道。

它就好像機場的“擺渡車”可以將乘客送往不同目的地一樣,可以先後把不同的衛星直接送到工作軌道。因此,上麵級又被稱為“太空擺渡車”。有了“太空擺渡車”之後,衛星或探測器可以在幾個小時內就進入工作軌道,若使用傳統火箭則需要幾天,並且耗費幾噸重的燃料。此次用於發射北鬥三號衛星的長征三號乙火箭就是增加了“遠征一號”上麵級,成為一款四級火箭。

中國航天科技集團有限公司透露,2018年將是中國航天高產的一年,遠征係列上麵級也將迎來了“高密度”發射時代。2018年遠征係列上麵級將執行8次北鬥三號衛星工程組網發射任務,護送16顆北鬥導航衛星進入太空。為了讓“乘客”有更好的飛行體驗,研製團隊不斷創新、改進方案,從而讓“乘客”更精準、舒適到達目的地。

上麵級副總師葉成敏告訴澎湃新聞(www.thepaper.cn),遠征上麵級從火箭手中接過飛行“接力棒”後,所處的工作環境發生了變化,各種太空射線、太空力熱環境非常複雜。

上麵級最初誕生時,考慮到元器件的考核程度、技術成熟度等因素,研製團隊為了穩妥可靠,大部分選擇了進口元器件,且元器件的性能水平也普遍高於所需的水平。葉成敏表示,隨著上麵級技術的成熟和國產元器件水平的穩步提高,遠征係列上麵級使用的元器件國產化比例大幅提高,絕大部分元器件都實現了國產化,技術和產品質量更加可控。

上麵級增加“冗錯機製”

上麵級接過火箭的“交接棒”在太空飛行,飛行路徑和高度都預置好的,如果出現“上一棒”沒有在指定“車站”停車的情況,上麵級會怎樣調整呢?

葉成敏介紹說,以前設計師們更擔心的是火箭無法飛行到預定位置,製定的預案也大多針對這種情況,但實際還有一種可能性,火箭有可能飛“過站”。考慮到這種情況,上麵級也做了相應的技術改進,為上麵級增加了“冗錯機製”,即使“乘客”坐過站,上麵級也能重新規劃飛行路線,確保將“乘客”準確送達目的地。

除了將“乘客”(衛星或探測器)送到預定地點這一重要使命,上麵級在太空飛行時重還有一個重要使命是測量自身所處的太空環境,將數據傳回地麵,以便為後續其它飛行器進入太空積累經驗。

但隨著太空飛行次數的增加,飛行器在太空采集的數據門類不斷固化,研製團隊對太空環境的認識也不斷提高,因此有些數據不需重複采集。

葉成敏向澎湃新聞表示,此次發射的上麵級通過調整測量等相關係統設計,在保證測量需求的前提下,將環境和力學參數測量傳感器的數量從百餘個減少到二十多個,為上麵級“瘦身”,從而使它能攜帶更多的載荷。

新成員:“遠征一號”S上麵級

記者從中國航天科技集團有限公司了解到,今年遠征上麵級家族將再添新成員——“遠征一號”S上麵級。

“遠征一號”S上麵級和其他三個“兄弟”一樣(“遠征一號”、“遠征一號”甲和“遠征二號”),都是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抓總研製。”遠征一號“S上麵級是專門為滿足中低軌、短時間的發射需求研製的一型新產品。目前,該上麵級已經完成總體設計,預計將於今年與長征二號丙運載火箭組合執行太陽同步軌道發射任務。

遠征係列上麵級設計師王明哲介紹向澎湃新聞表示,“遠征一號”S上麵級是一個產品化的上麵級,屬於征一號上麵級的商業版和簡化版,可以與直徑為3.35米的火箭組合完成短時間飛行的發射任務。

“遠征一號”S上麵級算是“遠征一號”上麵級改進型,改進的主要地方是針對短時間的飛行任務。“遠征一號”上麵級飛行約為6.5個小時,整個飛行任務基本上在1小時以內。之所以飛行時間大為縮短,主要是因為“遠征一號”S上麵級執行任務時間短,與基礎級分離完成後就馬上點火加速。王明哲表示,型號隊伍針對這一任務特點,在“遠征一號”上麵級的基礎上進行係統簡化、元器件等級降低、冗餘備份簡化等改進,降低成本,讓“遠征一號”S成為一種經濟型上麵級,有助於進一步擴寬商業發射市場。

發射前,技術人員正在吊運北鬥衛星。

中國上麵級技術已躋身世界先進水平

“遠征一號”S上麵級加入後,遠征上麵級家族將進一步壯大,可滿足我國日益增長的航天高密度發射需求,並且提升在國際發射市場的競爭力。遠征上麵級“家族”目前已有3位“成員”公開亮相,分別為“遠征一號”、”遠征一號”甲、遠征二號,”遠征一號”S將是這個家族的第四位成員。

根據公開信息,3位已經公開亮相的“成員”都已經出色完成了承擔的發射任務。2015年3月30日,長征三號丙運載火箭,成功將首顆新一代北鬥導航衛星發射升空,衛星順利進入預定軌道。這是我國“遠征一號”上麵級的首次發射成功。2016年6月26日,“遠征一號”的改進型——“遠征一號”甲隨長征七號運載火箭發射成功,相比“遠征一號”,“遠征一號”甲通過多項技術改進升級,性能大幅提升。其在軌飛行時間從6.5小時延長至48小時,主發動機由2次啟動增加至9次啟動,分離次數由1次增加至7次,靈活性大幅提高。2016年11月3日,我國最大的上麵級“遠征二號”隨長征五號火箭發射成功。“遠征二號”配備了2台台泵壓式發動機,是我國目前規模最大、變軌能力最強的上麵級。

根據中國航天科技集團有限公司提供的信息,“遠征一號”上麵級是基本型,主要針對中高軌的直接入軌任務,隻有2次啟動能力。“遠征一號”甲上麵級實現了多次啟動、長時間在軌,目前啟動次數已經提升至20次,可完成不同軌道多星部署任務,被稱為“升級版太空擺渡車”。“遠征二號”上麵級是“遠征一號”係列化的產品,有2台發動機,運載能力更大,可執行高軌多星的直接入軌任務,被稱為“增強型太空擺渡車”。

“現在來看,遠征上麵級家族4名成員基本能滿足不同發射任務的需求。未來型號隊伍將再提高上麵級任務的適應性。”王明哲說。

王明哲表示,其實,在上世紀80 年代末就是開始研製上麵級,並先後研製出多種類似運載器,但此前均為滿足某一單一任務而研製,這些運載器對於更多發射任務適應性較弱。而現在研製的遠征係列上麵級通用性很強,能多次點火啟動,可滿足不同任務需求。

望遠世界,上麵級早已成為世界航天大國的標配,多個國家先後研發了數十種不同型號的上麵級。比如美國的“半人馬座”、俄羅斯“微風”和“弗雷蓋特”等都是著名的上麵級。

經過科研人員多年的攻關,目前我國遠征上麵級技術取得了長足的進步,為我國未來的月球、火星等深空探測任務,軌道轉移、空間碎片清理等軌道服務,新材料、新技術空間試驗驗證等奠定了工程應用基礎,對國家空間運輸與空間應用係統的發展具有裏程碑的意義。

“現在,我國的遠征上麵級技術達世界先進水平。未來,“遠征一號”上麵級還將執行更多、更複雜的任務。”王明哲指出。

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