一箭22星,光杆“長八”首飛創我國一箭多星最高紀錄

2022年02月27日12:05

北京時間2022年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”)抓總研製的長征八號遙二運載火箭(以下簡稱“長八遙二火箭”)在海南文昌航天發射場點火起飛,隨後將托舉的22顆衛星分別順利送入預定軌道,發射任務取得圓滿成功,創造了我國一箭多星發射的最高紀錄。

長征八號遙二運載火箭在海南文昌航天發射場點火起飛。國家航天局 屠海超 攝
長征八號遙二運載火箭在海南文昌航天發射場點火起飛。國家航天局 屠海超 攝

據瞭解,此次成功送入預定軌道的 22 顆衛星為:泰景三號01衛星、泰景四號01衛星、海南一號01/02星、文昌一號01/02星、吉林一號高分03D10-18星(9顆)、吉林一號MF02A01星、巢湖一號衛星、創星雷神號衛星、天啟星座19星、星時代-17衛星、啟明星一號衛星、西電一號衛星。

不帶助推器的新構型實現首飛

2020年12月22日,長征八號運載火箭以“一箭5星”的方式首飛成功,作為我國新一代主力中型運載火箭,將我國太陽同步軌道運載能力從3噸提升至4.5噸,填補了新一代運載火箭的能力空白。至此,長征八號運載火箭也將可承擔80%以上的中低軌發射任務。

此次長八遙二火箭的發射,是新一代運載火箭在2022年的首次飛行,也是型號不帶助推器的新構型首飛。

不帶助推器的新構型實現首飛。圖源中國運載火箭技術研究院
不帶助推器的新構型實現首飛。圖源中國運載火箭技術研究院

火箭院長征八號火箭副主任設計師陳曉飛說,與遙一火箭相比,長八遙二火箭外形上最大的區別就是取消了兩個助推器,從兩級半構型變成了兩級串聯構型。因採用了“模塊化”“組合化”的設計思路,自成功首飛到遙二火箭完成總裝總測、具備出廠條件,研製團隊僅用了1年時間。遙二火箭無需進行大規模更改,只需針對載荷、飛行軌道進行適應性調整,就能高效地滿足任務要求。

事實上,在長八火箭設計之初,研製團隊就已經兼顧了有助推器和沒有助推器兩種狀態。據火箭院長八火箭項目辦胡輝彪介紹,這次任務可以檢驗新構型的正確性、協調性和匹配性,對開拓中型主力火箭市場具有重要意義。長八遙二火箭雖然“一箭22星”,但載荷總計只有不到2噸,“光杆”新構型的能力在3噸級,完全能夠滿足載荷要求。同時,此次任務時間緊張,減少兩個助推器,可以緩解生產、總裝和測試的壓力,讓研製週期縮短、研製成本降低。

在確定火箭任務載荷時,長八火箭團隊把將視線轉移到了小衛星上。據瞭解,截至去年年底,我國國內註冊的衛星單位有80多家,其中小衛星佔據了主要份額,在未來的商業市場上具有非常大的潛力。

長八遙二火箭同時還是一發“共享火箭”。圖源中國運載火箭技術研究院
長八遙二火箭同時還是一發“共享火箭”。圖源中國運載火箭技術研究院

胡輝彪說,一次任務如果只發射一顆三四百公斤的小衛星,對於長八火箭的能力來說未免太浪費。為此,長八火箭團隊提出“共享發射”新模式,多個小衛星“拚車”完成任務,即可充分發揮火箭能力,又有效滿足市場需求。他認為,此次新構型的首飛也將為長八火箭積累成功子樣,推動型號走向成熟,為後續進入航天發射主戰場打好基礎,鞏固長征八號在商業航天領域的主動權和主導權。

整流罩高度從8米縮短到5.4米。圖源中國運載火箭技術研究院
整流罩高度從8米縮短到5.4米。圖源中國運載火箭技術研究院

記者瞭解到,本發火箭的整流罩高度也從8米縮短到5.4米,使得全箭關鍵部位的受載降低了。為什麼要更換更短的整流罩?陳曉飛介紹,從技術層面來看,這次任務的衛星體積較小,重量沒有那麼沉,不需要用長八遙一火箭那麼大的整流罩。另外,從氣動外形來說,短一點的整流罩可以降低載荷,放寬火箭發射放行條件,提高火箭發射概率,為後續高密度發射奠定基礎。

提供三層“座椅”,22顆衛星順利“上車”

如何能在有限的整流罩空間里,裝下這麼多位“乘客”?長八火箭整流罩直徑為4.2米,在有限的空間內,要實現一箭發射22顆衛星,第一步是要把這些衛星合理佈局在整流罩里。

火箭院長八火箭副主任設計師陳曉飛介紹,一箭發射22顆衛星以前在國內是沒有的。由於每顆衛星形狀各異,且有多個衛星尺寸較大,所以在最開始進行佈局時,首先考慮的是如何有效利用整流罩內空間包絡。

提供三層“座椅”,22顆衛星順利“上車”。圖源中國運載火箭技術研究院
提供三層“座椅”,22顆衛星順利“上車”。圖源中國運載火箭技術研究院

結合任務需求,設計團隊對傳統的衛星結構進行梳理,最後設計出新的“三層式多星分配器”,為“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台組成。其中,錐形支架搭載2顆衛星,中心承力筒搭載14顆衛星,圓盤平台搭載6顆衛星,完美將22顆衛星裝進整流罩中。

火箭院長八火箭總體副主任設計師於龍說,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運載火箭的結構;中心承力筒也是成熟的結構,能夠儘可能利用整流罩的空間,在側壁多掛衛星。對於一些直徑較大、不適合側掛的衛星,設計團隊則在中心承力筒上方新設計了一個圓盤平台,讓大直徑衛星安裝操作更簡潔,分離方向上也沒有其他衛星去幹涉。

“在分配器結構設計上,我們採取‘模塊化’設計,將現有的、成熟的結構拚接在一起形成新的結構形式,達到‘1+1>2’的效果,同時節省了設計時間,提高研製效率,能快速滿足衛星方發射的需求。”於龍說,“一般來說,一個新的結構從出圖到生產,需要至少一年多時間。我們通過‘模塊化’設計,在半年不到的時間就生產出來了多星分配器。”

衛星雖然能裝進整流罩,但在有限的空間內,衛星數量越多,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,設計團隊就對現場工裝設備、人員操作位置等進行考慮,將衛星安裝操作可達性納入分配器結構設計中。

為了方便安裝操作,設計團隊專門在圓盤平台中間開了個孔,方便操作人員進入,並通過星箭聯合操作試驗,不斷調整衛星安裝操作的順序及佈局的位置,確保操作人員真正上箭操作的安全性,讓22顆衛星能順利“上車”。

長征八號遙二運載火箭升空。中國運載火箭技術研究院 宋濤 攝
長征八號遙二運載火箭升空。中國運載火箭技術研究院 宋濤 攝

採用12次分離動作,幫助“乘客”安心“下車”

這22顆衛星,分離時會不會碰撞?進入預定軌道飛行時會不會碰撞?……“座椅”有了,衛星順利裝進了整流罩,但要讓這些“乘客”怎樣才能安全準確“下車”?設計團隊首先要考慮的是衛星近場分離安全性。

於龍介紹,衛星到天上後要離開箭體,在這個過程中,衛星的動力源和解鎖方式會有一些偏差,不是想像中的靜態安裝位置在哪裡,分離過程中就一定在這個範圍內不晃蕩。某些時候這些小偏差會使得衛星與衛星之間距離縮小,威脅到箭體的安全。

根據衛星的不同分離機構,設計團隊結合實際衛星佈局位置,對所有的箭體和衛星偏差進行多輪仿真計算,讓各衛星之間保留一定的近場分離過程中的動態間隙,保證近場分離安全性。

“衛星數量越多,分離出去後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。”火箭院長八火箭軌道設計師李靜琳介紹,分離速度、分離方向、分離順序是影響衛星後續運動軌跡的關鍵因素。但在這次衛星數量如此之多的情況下,要在有限的外界分離軌道將22顆衛星錯開,避免兩兩衛星之間干涉,對設計人員來說是個不小的挑戰。

22顆衛星加上一個火箭末級就是23個分離體,為了保證彼此之間分離的安全性,設計團隊計算分析每一顆衛星運行的軌道參數,對23個分離體兩兩之間的相對距離進行長週期的仿真、觀察和考核,並根據衛星佈局,設計分離方案,最終採取了12次分離動作,依次將22顆衛星逐步分離出去,並通過不斷調整末級箭體的姿態,實現不同衛星的分離方向調整,確保各個衛星近遠場安全,讓22顆衛星安心“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,在火箭調姿過程中,為了滿足天基可見的要求,要保證箭體調姿角度不能過大,給設計團隊又增加了難度。

李靜琳介紹,這是一個相當於多個對象、多種約束、長週期的、需要通過多輪迭代解決的一個優化問題,遠場分離計算量比以往翻了好幾倍。

面對巨大的計算量,設計團隊專門研製了一個“多星遠場分析工具”。“通過採用這個分析工具之後,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,不僅大幅提高了計算效率,而且提高了遠場分析的準確性。”李靜琳說。

虛實結合模態試驗技術助力新構型首飛

據介紹,長征八號運載火箭在充分繼承長征系列運載火箭設計經驗的基礎上,沒有開展全箭模態試驗,是我國首個在研製中基於模塊化模態試驗結果,同時結合虛擬試驗給出全箭模態參數的中大型火箭,從首飛到新構型發射的圓滿成功,虛實結合模態試驗技術均發揮了重要作用。

在長征八號運載火箭採用的設計思路中,一級和助推沿用了長征七號一級和助推結構,二級沿用了長征三號乙三級結構。為了實現火箭快速集成研製,試驗人員在充分利用長七一級/二級飛行/靶場豎立、長七甲一級/二級/三級飛行/靶場豎立、長三乙三級飛行共30餘個狀態模態試驗結果的基礎上,通過虛實結合——已有試驗和仿真分析相結合,在不開展全箭模態試驗的條件下,獲取了全箭模態參數。

航天科技集團一院702所副總師朱曦全指出,長八火箭在研製過程中,為了獲取長八火箭的模態參數,為其姿態和導航控製提供重要的設計依據,試驗團隊按照三維動力學建模建立了全箭模型,通過長七(長七甲)一級/二級模態試驗結果修正得到了芯一級加助推的模型,參照長三乙模態結果得到了二級的模型,並首次建立了發射平台模型。

在製定實施靶場豎立狀態模態試驗中,採用新方法完成了我國首次該狀態下的模態激振和振型斜率採集,進而修正確認了有限元仿真模型的正確性,這也是模態綜合技術在我國運載火箭研製中的首次應用。

朱曦全表示,經過驗證,在充分的部段試驗及組合狀態試驗的基礎上,模態綜合技術的結果是合理可信的,可以應用於型號首飛及後續發射,這種方法還可為未來重型運載火箭的研製提供借鑒。

新京報記者 張建林

編輯 劉茜賢 校對 趙琳

關注我們Facebook專頁
    相關新聞
      更多瀏覽