原題:打“專車” 送北斗雙星準(zhǔn)確入軌
7月25日晚,長征三號乙/遠(yuǎn)征一號運(yùn)載火箭以一箭雙星的方式成功發(fā)射第18、19顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。經(jīng)過近4個小時的飛行,火箭上面級與雙星成功分離,雙星各自進(jìn)入工作軌道。這是遠(yuǎn)征一號上面級首次執(zhí)行運(yùn)送雙星入軌任務(wù)。
中國航天科技集團(tuán)公司以往研制的北斗衛(wèi)星中,用于變軌的動力系統(tǒng)必不可少。這樣的動力系統(tǒng)包括衛(wèi)星變軌發(fā)動機(jī)和推進(jìn)劑貯箱等,加注推進(jìn)劑后的動力系統(tǒng)重量能占到衛(wèi)星全重的60%左右。
實施發(fā)射時,火箭只能將衛(wèi)星發(fā)射至轉(zhuǎn)移軌道,從轉(zhuǎn)移軌道到工作軌道的路程,就要靠衛(wèi)星自己“走”了。一般來說,這段路程需要衛(wèi)星“走”上幾天的時間,實屬漫長。
衛(wèi)星從轉(zhuǎn)移軌道“走”到工作軌道,需要多次變軌。實施變軌,就要消耗推進(jìn)劑,這也是衛(wèi)星一出發(fā)就要背負(fù)大量推進(jìn)劑的原因。等到衛(wèi)星終于進(jìn)入工作軌道,推進(jìn)劑也消耗得差不多了。在此后的衛(wèi)星在軌工作期間,沒有什么用處的動力系統(tǒng)還將始終伴隨著衛(wèi)星,直至衛(wèi)星“壽終正寢”。
北斗雙星這次的太空之旅,沒有像它們前輩那樣歷經(jīng)周折,而是取消了沉重的用于變軌的動力系統(tǒng),因為有“專車”將它們直接送入工作軌道,省去了“步行”的辛苦。這個“專車”,就是遠(yuǎn)征一號上面級。
上面級是一種具有自主獨(dú)立性的飛行器,由基礎(chǔ)級運(yùn)載器發(fā)射進(jìn)入準(zhǔn)地球軌道或地球軌道,能夠依靠自身動力進(jìn)一步將有效載荷送入預(yù)定工作軌道或預(yù)定空間位置。
在這次太空之旅中,北斗雙星每顆星都有一個舒適的座位,它們端坐在上面級的雙星分配器上,一路上還能從上面級源源不斷地獲取電能。
7月25日晚,火箭起飛約800秒后,上面級與火箭基礎(chǔ)級分離,上面級主發(fā)動機(jī)第一次點(diǎn)火工作,帶著雙星繼續(xù)向前飛行。主發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)后,經(jīng)過約3個小時的滑行,上面級就載著雙星到達(dá)了遠(yuǎn)地點(diǎn)的位置,這時上面級主發(fā)動機(jī)第二次點(diǎn)火工作,帶著雙星抵達(dá)衛(wèi)星工作軌道。
上面級載著雙星到達(dá)工作軌道后,雙星如何與上面級平穩(wěn)安全分離至關(guān)重要。在茫茫太空中,兩個1噸多重的衛(wèi)星從上面級分離時一旦承受不了分離裝置解鎖瞬間產(chǎn)生的沖擊或是互相發(fā)生了碰撞,后果將不堪設(shè)想。
關(guān)于雙星與上面級分離方案的研究,研制團(tuán)隊選擇了一種成熟度較高的低沖擊分離裝置,連接在上面級與雙星之間。但是在上面級與雙星進(jìn)行分離試驗時,一個可怕的問題暴露出來:
北斗雙星承受不了分離裝置工作時對衛(wèi)星產(chǎn)生的巨大沖擊。
這個問題必須解決,否則無法按期實施新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的一箭雙星發(fā)射,甚至將影響北斗全球組網(wǎng)的進(jìn)程。
長三甲系列火箭副總設(shè)計師葉成敏介紹,研制團(tuán)隊對分離裝置內(nèi)的火工品種類、沖擊的傳輸通道等進(jìn)行了全新優(yōu)化,又在多地的試驗場內(nèi)進(jìn)行了幾十次分離試驗,將沖擊一點(diǎn)點(diǎn)降了下來。同時,團(tuán)隊還對衛(wèi)星結(jié)構(gòu)進(jìn)行了緩沖處理,增大了衛(wèi)星的抗沖擊能力。最終,分離裝置工作時對衛(wèi)星的沖擊比最初的設(shè)計降低了40%~50%,解決了這一難題。
那么兩顆衛(wèi)星之間會不會發(fā)生碰撞呢?
上面級的總體主任設(shè)計師陳益透露,研制團(tuán)隊通過建立動力學(xué)模型篩選出了近百個極限偏差工況,對上面級與雙星分離的近場、遠(yuǎn)場情況進(jìn)行了大量的仿真計算,還開展了多次模擬失重狀態(tài)的雙星旋轉(zhuǎn)分離試驗,終于確認(rèn)北斗雙星的分離方案科學(xué)有效、考慮充分,是完全安全可靠的。
隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全球組網(wǎng)進(jìn)程的推進(jìn),上面級發(fā)射北斗衛(wèi)星直接進(jìn)入工作軌道的模式將成為新常態(tài)。長三甲系列火箭總設(shè)計師姜杰認(rèn)為,上面級發(fā)射北斗衛(wèi)星直接進(jìn)入工作軌道,開辟了高軌道衛(wèi)星快速進(jìn)入空間的嶄新途徑,也拓展了長三甲系列火箭發(fā)展的新領(lǐng)域,“在后續(xù)北斗組網(wǎng)發(fā)射任務(wù)中,上面級還將多次展露身手?!保ㄖx奇勇/攝)