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一箭22星，光桿“長八”首飛創(chuàng)我國一箭多星最高紀(jì)錄

2022-02-27 13:28:11來源：新京報(bào)  

北京時(shí)間2022年2月27日11時(shí)06分，由中國航天科技(000901)集團(tuán)有限公司所屬中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院（以下簡稱“火箭院”）抓總研制的長征八號遙二運(yùn)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(diǎn)火起飛，隨后將托舉的22顆衛(wèi)星分別順利送入預(yù)定軌道，發(fā)射任務(wù)取得圓滿成功，創(chuàng)造了我國一箭多星發(fā)射的最高紀(jì)錄。

長征八號遙二運(yùn)載火箭在海南文昌航天發(fā)射場點(diǎn)火起飛。國家航天局（攝影屠海超）

據(jù)了解，此次成功送入預(yù)定軌道的 22 顆衛(wèi)星為：泰景三號01衛(wèi)星、泰景四號01衛(wèi)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(wèi)星、創(chuàng)星雷神號衛(wèi)星、天啟星座19星、星時(shí)代-17衛(wèi)星、啟明星一號衛(wèi)星、西電一號衛(wèi)星。

不帶助推器的新構(gòu)型實(shí)現(xiàn)首飛

2020年12月22日，長征八號運(yùn)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(yùn)載火箭，將我國太陽同步軌道運(yùn)載能力從3噸提升至4.5噸，填補(bǔ)了新一代運(yùn)載火箭的能力空白。至此，長征八號運(yùn)載火箭也將可承擔(dān)80%以上的中低軌發(fā)射任務(wù)。

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

不帶助推器的新構(gòu)型實(shí)現(xiàn)首飛。圖源中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院

火箭院長征八號火箭副主任設(shè)計(jì)師陳曉飛說，與遙一火箭相比，長八遙二火箭外形上最大的區(qū)別就是取消了兩個(gè)助推器，從兩級半構(gòu)型變成了兩級串聯(lián)構(gòu)型。因采用了“模塊化”“組合化”的設(shè)計(jì)思路，自成功首飛到遙二火箭完成總裝總測、具備出廠條件，研制團(tuán)隊(duì)僅用了1年時(shí)間。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，就能高效地滿足任務(wù)要求。

事實(shí)上，在長八火箭設(shè)計(jì)之初，研制團(tuán)隊(duì)就已經(jīng)兼顧了有助推器和沒有助推器兩種狀態(tài)。據(jù)火箭院長八火箭項(xiàng)目辦胡輝彪介紹，這次任務(wù)可以檢驗(yàn)新構(gòu)型的正確性、協(xié)調(diào)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(jì)只有不到2噸，“光桿”新構(gòu)型的能力在3噸級，完全能夠滿足載荷要求。同時(shí)，此次任務(wù)時(shí)間緊張，減少兩個(gè)助推器，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。

在確定火箭任務(wù)載荷時(shí)，長八火箭團(tuán)隊(duì)把將視線轉(zhuǎn)移到了小衛(wèi)星上。據(jù)了解，截至去年年底，我國國內(nèi)注冊的衛(wèi)星單位有80多家，其中小衛(wèi)星占據(jù)了主要份額，在未來的商業(yè)市場上具有非常大的潛力。

長八遙二火箭同時(shí)還是一發(fā)“共享火箭”。圖源中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院

胡輝彪說，一次任務(wù)如果只發(fā)射一顆三四百公斤的小衛(wèi)星，對于長八火箭的能力來說未免太浪費(fèi)。為此，長八火箭團(tuán)隊(duì)提出“共享發(fā)射”新模式，多個(gè)小衛(wèi)星“拼車”完成任務(wù)，即可充分發(fā)揮火箭能力，又有效滿足市場需求。他認(rèn)為，此次新構(gòu)型的首飛也將為長八火箭積累成功子樣，推動(dòng)型號走向成熟，為后續(xù)進(jìn)入航天發(fā)射主戰(zhàn)場打好基礎(chǔ)，鞏固長征八號在商業(yè)航天領(lǐng)域的主動(dòng)權(quán)和主導(dǎo)權(quán)。

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

記者了解到，本發(fā)火箭的整流罩高度也從8米縮短到5.4米，使得全箭關(guān)鍵部位的受載降低了。為什么要更換更短的整流罩？陳曉飛介紹，從技術(shù)層面來看，這次任務(wù)的衛(wèi)星體積較小，重量沒有那么沉，不需要用長八遙一火箭那么大的整流罩。另外，從氣動(dòng)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)。

提供三層“座椅”，22顆衛(wèi)星順利“上車”

如何能在有限的整流罩空間里，裝下這么多位“乘客”？長八火箭整流罩直徑為4.2米，在有限的空間內(nèi)，要實(shí)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。

火箭院長八火箭副主任設(shè)計(jì)師陳曉飛介紹，一箭發(fā)射22顆衛(wèi)星以前在國內(nèi)是沒有的。由于每顆衛(wèi)星形狀各異，且有多個(gè)衛(wèi)星尺寸較大，所以在最開始進(jìn)行布局時(shí)，首先考慮的是如何有效利用整流罩內(nèi)空間包絡(luò)。

提供三層“座椅”，22顆衛(wèi)星順利“上車”。圖源中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院

結(jié)合任務(wù)需求，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)對傳統(tǒng)的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)進(jìn)行梳理，最后設(shè)計(jì)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(jìn)整流罩中。

火箭院長八火箭總體副主任設(shè)計(jì)師于龍說，多星分配器最下層的錐形支架，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)沿用的是長八遙一運(yùn)載火箭的結(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(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)則在中心承力筒上方新設(shè)計(jì)了一個(gè)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。

“在分配器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，我們采取‘模塊化’設(shè)計(jì)，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(dá)到‘1+1>2’的效果，同時(shí)節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)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，“一般來說，一個(gè)新的結(jié)構(gòu)從出圖到生產(chǎn)，需要至少一年多時(shí)間。我們通過‘模塊化’設(shè)計(jì)，在半年不到的時(shí)間就生產(chǎn)出來了多星分配器。”

衛(wèi)星雖然能裝進(jìn)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(shí)的難度也就越大。在設(shè)計(jì)之初，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)就對現(xiàn)場工裝設(shè)備、人員操作位置等進(jìn)行考慮，將衛(wèi)星安裝操作可達(dá)性納入分配器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。

為了方便安裝操作，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)專門在圓盤平臺中間開了個(gè)孔，方便操作人員進(jìn)入，并通過星箭聯(lián)合操作試驗(yàn)，不斷調(diào)整衛(wèi)星安裝操作的順序及布局的位置，確保操作人員真正上箭操作的安全性，讓22顆衛(wèi)星能順利“上車”。

長征八號遙二運(yùn)載火箭升空。中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院（攝影宋濤）

采用12次分離動(dòng)作，幫助“乘客”安心“下車”

這22顆衛(wèi)星，分離時(shí)會不會碰撞？進(jìn)入預(yù)定軌道飛行時(shí)會不會碰撞？……“座椅”有了，衛(wèi)星順利裝進(jìn)了整流罩，但要讓這些“乘客”怎樣才能安全準(zhǔn)確“下車”？設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)首先要考慮的是衛(wèi)星近場分離安全性。

于龍介紹，衛(wèi)星到天上后要離開箭體，在這個(gè)過程中，衛(wèi)星的動(dòng)力源(600405)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(gè)范圍內(nèi)不晃蕩。某些時(shí)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)結(jié)合實(shí)際衛(wèi)星布局位置，對所有的箭體和衛(wèi)星偏差進(jìn)行多輪仿真計(jì)算，讓各衛(wèi)星之間保留一定的近場分離過程中的動(dòng)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)。”火箭院長八火箭軌道設(shè)計(jì)師李靜琳介紹，分離速度、分離方向、分離順序是影響衛(wèi)星后續(xù)運(yùn)動(dòng)軌跡的關(guān)鍵因素。但在這次衛(wèi)星數(shù)量如此之多的情況下，要在有限的外界分離軌道將22顆衛(wèi)星錯(cuò)開，避免兩兩衛(wèi)星之間干涉，對設(shè)計(jì)人員來說是個(gè)不小的挑戰(zhàn)。

22顆衛(wèi)星加上一個(gè)火箭末級就是23個(gè)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)計(jì)算分析每一顆衛(wèi)星運(yùn)行的軌道參數(shù)，對23個(gè)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，設(shè)計(jì)分離方案，最終采取了12次分離動(dòng)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(gè)衛(wèi)星近遠(yuǎn)場安全，讓22顆衛(wèi)星安心“下車”。

在分離動(dòng)作設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)也遇到了重重困難。要對23個(gè)分離體兩兩之間的相對距離進(jìn)行分析，計(jì)算量非常大。同時(shí)，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，給設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)又增加了難度。

李靜琳介紹，這是一個(gè)相當(dāng)于多個(gè)對象、多種約束、長周期的、需要通過多輪迭代解決的一個(gè)優(yōu)化問題，遠(yuǎn)場分離計(jì)算量比以往翻了好幾倍。

面對巨大的計(jì)算量，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)專門研制了一個(gè)“多星遠(yuǎn)場分析工具”。“通過采用這個(gè)分析工具之后，我們通過一次仿真，就可以自動(dòng)完成23個(gè)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。”李靜琳說。

虛實(shí)結(jié)合模態(tài)試驗(yàn)技術(shù)助力新構(gòu)型首飛

據(jù)介紹，長征八號運(yùn)載火箭在充分繼承長征系列運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，沒有開展全箭模態(tài)試驗(yàn)，是我國首個(gè)在研制中基于模塊化模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)結(jié)合虛擬試驗(yàn)給出全箭模態(tài)參數(shù)的中大型火箭，從首飛到新構(gòu)型發(fā)射的圓滿成功，虛實(shí)結(jié)合模態(tài)試驗(yàn)技術(shù)均發(fā)揮了重要作用。

在長征八號運(yùn)載火箭采用的設(shè)計(jì)思路中，一級和助推沿用了長征七號一級和助推結(jié)構(gòu)，二級沿用了長征三號乙三級結(jié)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)火箭快速集成研制，試驗(yàn)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余個(gè)狀態(tài)模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過虛實(shí)結(jié)合——已有試驗(yàn)和仿真分析相結(jié)合，在不開展全箭模態(tài)試驗(yàn)的條件下，獲取了全箭模態(tài)參數(shù)。

航天科技集團(tuán)一院702所副總師朱曦全指出，長八火箭在研制過程中，為了獲取長八火箭的模態(tài)參數(shù)，為其姿態(tài)和導(dǎo)航控制提供重要的設(shè)計(jì)依據(jù)，試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)按照三維動(dòng)力學(xué)建模建立了全箭模型，通過長七（長七甲）一級/二級模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果修正得到了芯一級加助推的模型，參照長三乙模態(tài)結(jié)果得到了二級的模型，并首次建立了發(fā)射平臺模型。

在制定實(shí)施靶場豎立狀態(tài)模態(tài)試驗(yàn)中，采用新方法完成了我國首次該狀態(tài)下的模態(tài)激振和振型斜率采集，進(jìn)而修正確認(rèn)了有限元仿真模型的正確性，這也是模態(tài)綜合技術(shù)在我國運(yùn)載火箭研制中的首次應(yīng)用。

朱曦全表示，經(jīng)過驗(yàn)證，在充分的部段試驗(yàn)及組合狀態(tài)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，模態(tài)綜合技術(shù)的結(jié)果是合理可信的，可以應(yīng)用于型號首飛及后續(xù)發(fā)射，這種方法還可為未來重型運(yùn)載火箭的研制提供借鑒。

新京報(bào)記者 張建林

編輯 劉茜賢 校對 趙琳

關(guān)鍵詞： 運(yùn)載火箭

責(zé)任編輯：hnmd003

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