新紀(jì)錄,！一箭22星！

太少或太多

據(jù)國家航天局消息,，2月27日11時06分,，長征八號遙二運(yùn)載火箭飛行試驗,，在中國文昌航天發(fā)射場順利實施，火箭飛行正常,，試驗取得圓滿成功,，創(chuàng)造了我國一箭多星發(fā)射的最高紀(jì)錄。

本次發(fā)射是長征火箭第409次發(fā)射,。

屠海超攝

長征八號是我國自主研制的中型運(yùn)載火箭,，長八遙二為長八運(yùn)載火箭無助推器狀態(tài),，為適應(yīng)一箭多星任務(wù)，更換整流罩,，本次發(fā)射是該構(gòu)型首次飛行試驗,。火箭采用無毒無污染推進(jìn)劑,，全箭長約48米,，芯一級直徑3.35米，芯二級直徑3.0米,，起飛重量約198噸,，起飛推力約240噸，可實現(xiàn)太陽同步軌道3噸運(yùn)載能力,。

本次飛行試驗搭載了海南一號01和02星,、大運(yùn)號（星時代-17）衛(wèi)星、文昌一號01和02星,、泰景三號01星等22顆商業(yè)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,，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)試驗和技術(shù)驗證、海南及環(huán)省海域船只信息收集處理等服務(wù),。

屠海超攝

如何能在有限的整流罩空間里,，讓22顆衛(wèi)星“坐”得舒服，又能安全,、準(zhǔn)確“下車”,？記者從一院了解到，長八火箭設(shè)計團(tuán)隊采用了全新的“三層式多星分配器”結(jié)構(gòu),，并對衛(wèi)星分離安全性進(jìn)行充分設(shè)計,。

給22名“乘客”提供三層“座椅”

據(jù)一院長八火箭副主任設(shè)計師陳曉飛介紹，此次發(fā)射的22顆衛(wèi)星形狀各異,，其中多個衛(wèi)星尺寸較大,，因此在布局時，首先考慮如何有效利用整流罩內(nèi)空間包絡(luò),。

結(jié)合任務(wù)需求,，設(shè)計團(tuán)隊對傳統(tǒng)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)進(jìn)行梳理，最后設(shè)計出新的“三層式多星分配器”,，為“乘客”提供三層“座椅”,�,！叭龑邮蕉嘈欠峙淦鳌睆南碌缴戏謩e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。

“在分配器結(jié)構(gòu)設(shè)計上,，我們采取‘模塊化’設(shè)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(dá)到‘1+1>2’的效果,，同時節(jié)省了設(shè)計時間，提高研制效率,，能快速滿足衛(wèi)星方發(fā)射的需求,。”一院長八火箭總體副主任設(shè)計師于龍介紹,，多星分配器最下層的錐形支架,，設(shè)計團(tuán)隊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。對一些直徑較大,、不適合側(cè)掛的衛(wèi)星,，設(shè)計團(tuán)隊則在中心承力筒上方新設(shè)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)星去干涉,。于龍表示，“一般來說,，一個新的結(jié)構(gòu)從出圖到生產(chǎn),，需要至少一年多時間。我們通過‘模塊化’設(shè)計,，在半年不到的時間就生產(chǎn)出來了多星分配器�,！�

在整流罩有限的空間內(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(shè)計之初,，設(shè)計團(tuán)隊就對現(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)計中,。

為了方便安裝操作，設(shè)計團(tuán)隊專門在圓盤平臺中間開了個孔,，方便操作人員進(jìn)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,，確保操作人員真正上箭操作的安全性,。

分批次“下車”更安全

這22顆衛(wèi)星，分離時會不會碰撞,？進(jìn)入預(yù)定軌道飛行時會不會碰撞,？要讓這些“乘客”能夠安全準(zhǔn)確“下車”，設(shè)計團(tuán)隊需要考慮的問題也不少,。

首先要考慮的是衛(wèi)星近場分離的安全性,。于龍介紹，衛(wèi)星到天上后要離開箭體,，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，威脅到箭體的安全,。

根據(jù)衛(wèi)星不同的分離機(jī)構(gòu),，設(shè)計團(tuán)隊結(jié)合實際衛(wèi)星布局位置，對所有的箭體和衛(wèi)星偏差進(jìn)行多輪仿真計算,，讓各衛(wèi)星之間保留一定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)險就越大,，遠(yuǎn)場分離安全性也是設(shè)計人員需要考慮的重點�,！币辉洪L八火箭軌道設(shè)計師李靜琳介紹,，分離速度、分離方向,、分離順序是影響衛(wèi)星后續(xù)運(yùn)動軌跡的關(guān)鍵因素,。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)星錯開,，避免兩兩衛(wèi)星之間干涉,，對設(shè)計人員來說有不小的挑戰(zhàn),。

22顆衛(wèi)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(shè)計團(tuán)隊計算分析每一顆衛(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,，設(shè)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(yuǎn)場安全,。

在分離動作設(shè)計過程，要對23個分離體兩兩之間的相對距離進(jìn)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(shè)計也增加了難度,。李靜琳介紹,，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)場分離計算量比以往翻了好幾倍,。

面對巨大的計算量,，設(shè)計團(tuán)隊專門研制了一個“多星遠(yuǎn)場分析工具”�,！巴ㄟ^采用這個分析工具之后,，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,，不僅大幅提高了計算效率，而且提高了遠(yuǎn)場分析的準(zhǔn)確性,�,！崩铎o琳說。

虛實結(jié)合模態(tài)試驗技術(shù)助力首飛

本次任務(wù)是長征八號火箭不帶助推器的新構(gòu)型首飛,。

長征八號在充分繼承長征系列運(yùn)載火箭設(shè)計經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,，沒有開展全箭模態(tài)試驗，是我國首個在研制中基于模塊化模態(tài)試驗結(jié)果,，同時結(jié)合虛擬試驗給出全箭模態(tài)參數(shù)的中大型火箭,。從長征八號遙一火箭首飛，到此次新構(gòu)型遙二火箭首飛的圓滿成功,，虛實結(jié)合模態(tài)試驗技術(shù)均發(fā)揮了重要作用,。

中國航天科技集團(tuán)一院供圖。宋濤攝

記者從一院了解到,，長征八號采用“模塊化,、系列化、組合化”的設(shè)計思路,，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)。為了實現(xiàn)火箭快速集成研制,，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余個狀態(tài)模態(tài)試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上,，通過虛實結(jié)合——已有試驗和仿真分析相結(jié)合,，在不開展全箭模態(tài)試驗的條件下，獲取了全箭模態(tài)參數(shù),。

一院702所副總設(shè)計師朱曦全介紹,，在研制過程中，為了獲取長征八號的模態(tài)參數(shù),，為其姿態(tài)和導(dǎo)航控制提供重要的設(shè)計依據(jù),，試驗團(tuán)隊按照三維動力學(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。在制定實施靶場豎立狀態(tài)模態(tài)試驗中,，采用新方法完成了我國首次在該狀態(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)過驗證，在充分的部段試驗及組合狀態(tài)試驗的基礎(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。

來源：科技日報

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