據(jù)國家航天局消息,,2月27日11時06分,長征八號遙二運載火箭飛行試驗,,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)射的最高紀錄,。
本次發(fā)射是長征火箭第409次發(fā)射。
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2022-2-28 09:11 上傳
屠海超 攝
長征八號是我國自主研制的中型運載火箭,,長八遙二為長八運載火箭無助推器狀態(tài),,為適應一箭多星任務,更換整流罩,,本次發(fā)射是該構型首次飛行試驗,。火箭采用無毒無污染推進劑,,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噸運載能力,。
本次飛行試驗搭載了海南一號01和02星,、大運號(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)網通訊,、空間科學試驗,,可提供資源調查、合成孔徑雷達數(shù)據(jù)支持、物聯(lián)網分散終端數(shù)據(jù)采集,、在軌科學試驗和技術驗證,、海南及環(huán)省海域船只信息收集處理等服務。
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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、準確“下車”,?記者從一院了解到,,長八火箭設計團隊采用了全新的“三層式多星分配器”結構,并對衛(wèi)星分離安全性進行充分設計,。
給22名“乘客”提供三層“座椅”
據(jù)一院長八火箭副主任設計師陳曉飛介紹,,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空間包絡。
結合任務需求,,設計團隊對傳統(tǒng)衛(wèi)星結構進行梳理,,最后設計出新的“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)星裝進整流罩中。
“在分配器結構設計上,,我們采取‘模塊化’設計,,將現(xiàn)有的、成熟的結構拼接在一起形成新的結構形式,,達到‘1+1>2’的效果,,同時節(jié)省了設計時間,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計師于龍介紹,,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,能夠盡可能利用整流罩的空間,,在側壁多掛衛(wèi)星。對一些直徑較大,、不適合側掛的衛(wèi)星,,設計團隊則在中心承力筒上方新設計了一個圓盤平臺,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,。”
在整流罩有限的空間內,,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,。在設計之初,,設計團隊就對現(xiàn)場工裝設備、人員操作位置等進行考慮,,將衛(wèi)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臺中間開了個孔,,方便操作人員進入,,并通過星箭聯(lián)合操作試驗,不斷調整衛(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,?進入預定軌道飛行時會不會碰撞,?要讓這些“乘客”能夠安全準確“下車”,設計團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)星不同的分離機構,,設計團隊結合實際衛(wèi)星布局位置,,對所有的箭體和衛(wèi)星偏差進行多輪仿真計算,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險就越大,,遠場分離安全性也是設計人員需要考慮的重點,。”一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(wèi)星后續(xù)運動軌跡的關鍵因素,。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,,設計團隊計算分析每一顆衛(wèi)星運行的軌道參數(shù),,對23個分離體兩兩之間的相對距離進行長周期的仿真、觀察和考核,,并根據(jù)衛(wèi)星布局,,設計分離方案,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,,并通過不斷調整末級箭體的姿態(tài),實現(xiàn)不同衛(wèi)星的分離方向調整,,確保各個衛(wèi)星近遠場安全,。
在分離動作設計過程,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,,對設計也增加了難度。李靜琳介紹,,這是一個相當于多個對象,、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,,設計團隊專門研制了一個“多星遠場分析工具”�,!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,而且提高了遠場分析的準確性,�,!崩铎o琳說。
虛實結合模態(tài)試驗技術助力首飛
本次任務是長征八號火箭不帶助推器的新構型首飛,。
長征八號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(tài)試驗,是我國首個在研制中基于模塊化模態(tài)試驗結果,,同時結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,到此次新構型遙二火箭首飛的圓滿成功,,虛實結合模態(tài)試驗技術均發(fā)揮了重要作用,。
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2022-2-28 09:11 上傳
中國航天科技集團一院供圖。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”的設計思路,,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(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(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)和導航控制提供重要的設計依據(jù),,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(tài)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(tài)結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,,進而修正確認了有限元仿真模型的正確性,,這也是模態(tài)綜合技術在我國運載火箭研制中的首次應用。
朱曦全表示,,經過驗證,,在充分的部段試驗及組合狀態(tài)試驗的基礎上,模態(tài)綜合技術的結果是合理可信的,,可以應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載火箭的研制提供借鑒。
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