圖源中國@航天科技集團(tuán)微博
鈦媒體注：本文來源于微信公眾號品玩（ID：pinwancool），作者丨白寧，鈦媒體經(jīng)授權(quán)發(fā)布。
時隔6年多，我國“一箭多星”的發(fā)射記錄終于被再次打破——2022年2月27日11時06分，長征八號（以下簡稱“長八”）遙二運(yùn)載火箭發(fā)射成功，將共計(jì)22顆衛(wèi)星分別順利送入預(yù)定軌道。
與2015年9月20日長征六號的“一箭20星”相比，僅僅10%的運(yùn)載衛(wèi)星個數(shù)的上漲，似乎遠(yuǎn)不足以讓它在被俄烏新聞塞得密不透風(fēng)的媒體平臺中，撕出刷屏的空間——但其實(shí)，這次發(fā)射將給我國航天技術(shù)發(fā)展帶來深遠(yuǎn)影響。
作為一個定位于商業(yè)應(yīng)用的火箭類型，此次的長八遙二火箭堪稱一次大膽的嘗試，“一箭發(fā)射多軌道衛(wèi)星”不過是其中之一。
1981年9月20日5時28分，“風(fēng)暴一號”運(yùn)載火箭從酒泉基地（酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心前身）起飛。7分20秒之后，三顆衛(wèi)星（實(shí)踐二號、實(shí)踐二號甲、實(shí)踐二號乙三顆科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星）逐一與火箭分離，進(jìn)入預(yù)定軌道。至此，繼前蘇聯(lián)、美國和歐洲航天局之后，中國成為第四個掌握“一箭多星”發(fā)射技術(shù)的國家。
“一箭多星”，即在一枚運(yùn)載火箭上搭載多顆衛(wèi)星。目前，世界上共有6個國家掌握了這項(xiàng)技術(shù)。在我國實(shí)現(xiàn)“一箭多星”27年之后，印度和日本也先后發(fā)射了自己的“多星”火箭。此后十年，一次性發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量的紀(jì)錄持續(xù)被快速刷新，到2017年，印度在一顆火箭上搭載的衛(wèi)星數(shù)量已經(jīng)達(dá)到了三位數(shù)，成功達(dá)成“一箭104星”。
事情進(jìn)展到這里，外行人可能也回過味來了。當(dāng)單顆火箭搭載人造衛(wèi)星的數(shù)量增加到某個數(shù)值，單純的數(shù)量增加導(dǎo)致的變化可能只會停留在量變的范疇內(nèi)。也就是說，發(fā)射衛(wèi)星的數(shù)量，并不一定和航天技術(shù)的高超程度成正比。
目前來看，“一箭多星”技術(shù)分為兩大類：一類是將所有載荷發(fā)射到同一條軌道；另一類是分別將不同的衛(wèi)星發(fā)射到各自的軌道。前者即印度的“一箭104星”以及絕大多數(shù)星鏈衛(wèi)星采用的方式，后者是長八遙二使用的方法。兩類發(fā)射，對應(yīng)著不同的運(yùn)載火箭要求。
第一類發(fā)射任務(wù)是在運(yùn)載火箭的末子級關(guān)機(jī)后，只需要將所承載衛(wèi)星依次釋放出來即可。這其中，需要考慮的主要問題是各個衛(wèi)星釋放后可能出現(xiàn)碰撞。這個問題的解決方法并不難，即控制釋放衛(wèi)星時的速度或者時間，使其稍有不同。
至于將多顆衛(wèi)星發(fā)射到不同軌道，就沒那么簡單了。它要求運(yùn)載火箭在滿足前者技術(shù)水準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，還要在進(jìn)入初始軌道后，依然具備變軌的能力，這就不是常規(guī)的運(yùn)載火箭可以做到的了。它需要衛(wèi)星從“上車”到“下車”的整套流程解決方案。
以本次的長八遙二為例，第一步是要把這些衛(wèi)星合理布局在火箭整流罩里。長八遙二任務(wù)所搭載的22顆衛(wèi)星分屬7家不同的衛(wèi)星制造商，每一家的衛(wèi)星體積、尺寸、重量都存在較大差異，所以布局時，首先考慮如何有效利用整流罩內(nèi)空間。
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結(jié)合任務(wù)需求，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)對傳統(tǒng)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)進(jìn)行梳理，設(shè)計(jì)了新的三層式多星分配器，最終為“乘客”提供了三層“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。最終，22顆衛(wèi)星的布局為：錐形支架（沿用了長八遙一火箭的結(jié)構(gòu)）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。
對于一些直徑較大、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)星去干涉。
圖源中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院微信公眾號。
衛(wèi)星終于順利裝進(jìn)了整流罩，之后要解決的，就是讓它們安全準(zhǔn)確“下車”的問題，這也是設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)遇到的最大難題之一。
首先要考慮的是衛(wèi)星近場分離安全性。衛(wèi)星與箭體分離過程中，需要考慮衛(wèi)星不同的解鎖方式和分離能源所帶來的運(yùn)動偏差。某些時候，這些小偏差會使衛(wèi)星之間距離縮小，進(jìn)而威脅到箭體的安全。
根據(jù)衛(wèi)星的不同分離機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)對所有的箭體和衛(wèi)星偏差進(jìn)行了多輪仿真計(jì)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(fēng)險(xiǎn)就越大，遠(yuǎn)場分離安全性也是設(shè)計(jì)人員需要考慮的重點(diǎn)。”負(fù)責(zé)彈道設(shè)計(jì)的李靜琳介紹，分離速度、分離方向、分離順序是影響衛(wèi)星后續(xù)運(yùn)動軌跡的關(guān)鍵因素。要在有限的外界分離軌道將22顆衛(wèi)星錯開，避免兩兩衛(wèi)星之間干涉，對設(shè)計(jì)人員來說是個不小的挑戰(zhàn)。
22顆衛(wèi)星加上火箭末級就是23個分離體，為了保證彼此之間分離的安全性，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)要計(jì)算分析每一個衛(wèi)星運(yùn)行的軌道參數(shù)，對23個分離體兩兩之間的相對距離進(jìn)行長周期的仿真、觀察和考核，并根據(jù)衛(wèi)星布局和設(shè)計(jì)分離方案，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(shí)現(xiàn)不同衛(wèi)星的分離方向調(diào)整，確保各個衛(wèi)星近遠(yuǎn)場安全，讓22顆衛(wèi)星安心“下車”。
具體到分離動作的設(shè)計(jì)，也并非易事。對23個分離體兩兩之間的相對距離分析，本身所需計(jì)算量就非常大，在此基礎(chǔ)上，還要維持火箭調(diào)姿過程中天基可見，這就要求箭體調(diào)姿角度不能過大。多項(xiàng)要求夾擊之下，難度也隨之增大：“這是一個相當(dāng)于多個對象、多種約束、長周期的、需要通過多輪迭代解決的一個優(yōu)化問題，遠(yuǎn)場分離計(jì)算量比以往翻了好幾倍。”
為此，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)專門研制了一個多星遠(yuǎn)場分析工具，這樣一來，“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(jì)算，以及兩兩之間相對位置的計(jì)算，不僅大幅提高了計(jì)算效率，而且提高了遠(yuǎn)場分析的準(zhǔn)確性。”
最終，根據(jù)每顆衛(wèi)星的分離方式，結(jié)合任務(wù)需求等多種因素，二子級在偏航和俯仰角上作出相應(yīng)的調(diào)整，22顆衛(wèi)星分12次終于依次成功部署入軌。
“本次任務(wù)一共需完成22星分離，共計(jì)完成12次分離動作，創(chuàng)造了中國航天的新紀(jì)錄。可以說星箭分離中長征八號火箭宛如跳了一場‘芭蕾’，最終22顆星的釋放就如‘天女散花’一般。”中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院長八副總指揮段保成總結(jié)道。
如果有心觀察，很容易發(fā)現(xiàn)，長八遙二運(yùn)載火箭長得和以前的火箭不太一樣：底部的助推器不見了，成了一個徹底的“光桿”火箭。
事實(shí)上，這種不帶助推器的火箭正是該型號火箭的新構(gòu)型。長八副主任設(shè)計(jì)師陳曉飛說，與遙一火箭相比，長八遙二火箭外形最大的區(qū)別就是取消了兩個助推器，從兩級半構(gòu)型變成了兩級串聯(lián)構(gòu)型。
左為遙二火箭（中國航天科技集團(tuán)一院圖，宋濤攝），右為遙一火箭（圖源中國航天報(bào)）。
長八火箭是我國新一代主力中型運(yùn)載火箭，也是目前我國中低軌運(yùn)力最強(qiáng)的商業(yè)火箭，于2020年12月成功首飛，填補(bǔ)了我國太陽同步軌道運(yùn)載能力3噸至4.5噸的能力空白，可以承擔(dān)我國80%以上的中低軌發(fā)射任務(wù)。此次無助推的“光桿”型長征八號遙二運(yùn)載火箭，運(yùn)載能力就達(dá)到3噸
長八是瞄準(zhǔn)未來發(fā)射市場需求而專門打造的一型火箭，作為定位于商業(yè)應(yīng)用的火箭，成本就成了必須考慮的因素，長八遙二火箭在此基礎(chǔ)上又做了進(jìn)一步調(diào)整和嘗試。
使用新構(gòu)型就是嘗試之一。長八火箭項(xiàng)目辦胡輝彪介紹，使用新構(gòu)型可以做到“一舉多得”。除了可以檢驗(yàn)新構(gòu)型的正確性、協(xié)調(diào)性和匹配性，開拓中型主力火箭市場之外，減少兩個助推器，還可以緩解生產(chǎn)、總裝和測試的壓力，讓研制周期縮短、研制成本降低。
“未來，人類進(jìn)入太空的需求越來越大，空間的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求越來越大，因此改變發(fā)射場流程、縮短火箭研制周期迫在眉睫。”肖耘介紹。
為此，長八遙二火箭還采用“模塊化”“組合化”設(shè)計(jì)思路。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)，并納入遙一火箭的考核包絡(luò)中。因此，遙二火箭無需進(jìn)行大規(guī)模更改，只需針對載荷、飛行軌道進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整。最終，自成功首飛到完成總裝總測、具備出廠條件，長八遙二火箭僅用了1年時間。
整流罩高度從8米縮短到5.4米。圖源中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院。
另外，火箭的整流罩高度也從8米縮短到5.4米，降低了全箭關(guān)鍵部位受載的同時，發(fā)射成本也隨之降低。當(dāng)然，這并全出于成本的考慮。從技術(shù)層面出發(fā)，因?yàn)樾枰l(fā)射的衛(wèi)星體積較小，重量也更輕，本身也不需要用長八遙一火箭那么大的整流罩。而從氣動外形來說，短一點(diǎn)的整流罩可以降低載荷，放寬火箭發(fā)射放行條件，提高火箭發(fā)射概率，為后續(xù)高密度發(fā)射奠定基礎(chǔ)。
“共享”模式也是基于成本的考慮——衛(wèi)星搭載方的成本。此次發(fā)射的22顆衛(wèi)星主要為光學(xué)遙感衛(wèi)星，主要用于對地觀測、低軌物聯(lián)網(wǎng)通訊、空間科學(xué)試驗(yàn)，可提供資源調(diào)查、合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)支持、物聯(lián)網(wǎng)分散終端數(shù)據(jù)采集、在軌科學(xué)試驗(yàn)和技術(shù)驗(yàn)證、海南及環(huán)省海域船只信息收集處理等服務(wù)。這些衛(wèi)星分別來自國內(nèi)7家商業(yè)航天企業(yè)。當(dāng)然，費(fèi)用也是7家分?jǐn)偂?/p>
“簡單地說就是拼車方案，為用戶提供經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的發(fā)射服務(wù)，門檻大大降低了。”長八火箭總指揮肖耘說。而有了此次長八遙二火箭的成功探索經(jīng)驗(yàn)，火箭院在推進(jìn)共享發(fā)射常態(tài)化的信心也就更強(qiáng)了。
目前，長八火箭總裝最快是23天。然而，總裝后，從天津廠房運(yùn)到發(fā)射場，還需要進(jìn)行火工品安裝、單元測試等流程。如果在發(fā)射場旁就近建設(shè)總裝測試廠房，就可以把發(fā)射場測試和出廠測試合二為一，節(jié)省一系列測試、檢查、轉(zhuǎn)運(yùn)的步驟，壓縮火箭在發(fā)射場的周期，適應(yīng)未來市場對長八火箭快速發(fā)射的需求。
經(jīng)過長八火箭團(tuán)隊(duì)的努力，目前，海南總裝測試廠房已經(jīng)開始施工建設(shè)，發(fā)射工位也正在論證過程中。一旦完成，一周就能實(shí)現(xiàn)一次長八火箭發(fā)射，一年預(yù)計(jì)可發(fā)射50次，“星辰大海”的未來堪稱可期。
參考資料：
中國航天科技集團(tuán)《長八新構(gòu)型將執(zhí)行“一箭22星” | “一箭多星”是怎么回事？》
中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 《22顆星：排好坐，依次下，準(zhǔn)確到達(dá)目的地》
科技日報(bào)《一箭22星！長八，創(chuàng)紀(jì)錄！》
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