中国“太空摆渡车”开始太空之旅

作者:上海市宇航学会 来源:网络 2015-11-17 00:00
3月30日21时52分,中国在西昌卫星发射中心用长征三号丙运载火箭,
成功将首颗新一代北斗导航卫星发射升空,卫星顺利进入预定轨道。
       3月30日21时52分,中国在西昌卫星发射中心用长征三号丙运载火箭,成功将首颗新一代北斗导航卫星发射升空,卫星顺利进入预定轨道。该星的成功发射标志着中国北斗卫星导航系统由区域运行向全球拓展的启动实施。
       北斗卫星导航系统是中国自主建设、独立运行,与世界其他卫星导航系统兼容共用的全球卫星导航系统,可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、测速、授时服务,并兼具短报文通信能力。
       此次发射的新一代北斗导航卫星是中国发射的第17颗北斗导航卫星,将开展新型导航信号体制、星间链路等试验验证工作,为北斗卫星导航系统全球组网建设提供依据。
       此次发射,还首次在运载火箭上增加了一级独立飞行器,即远征一号上面级。远征一号上面级被形象地称为“太空摆渡车”,可在太空将一个或多个航天器直接送入不同的轨道。这是中国首次采用该项技术执行中高轨航天器发射任务。
       据了解,中国北斗卫星导航系统于2000年底开始向中国及周边地区提供服务,2012年底正式向亚太大部分地区提供运行服务,在交通运输、海洋渔业、水文监测、气象预报、大地测量、智能驾考、救灾减灾、手机导航、车载导航等诸多领域,已产生广泛的经济和社会效益。
       此次发射的新一代卫星北斗导航卫星,由中国科学院和上海市政府合作共建的上海微小卫星工程中心研制。用于发射任务的长征三号丙运载火箭由中国航天科技集团公司研制,这是长征系列运载火箭的第204次飞行。
       远征一号发射成功 “太空摆渡车”成本低潜力大       
       2015年3月30日21时52分,中国在西昌卫星发射中心用长征三号丙运载火箭,成功将首颗新一代北斗导航卫星发射升空,卫星顺利进入预定轨道。这也是我国“远征一号”上面级的首次发射成功,意味着我国真正意义上的“太空摆渡车”开始其太空之旅。
       远征一号与长征三号丙火箭共同执行发射任务,在火箭将其送入预定轨道后,独立地将要发射的卫星直接送入预定轨道。它的成功研制改变了上面级与火箭原有固定、单一的组合状态,创造了灵活、多样的组合模式,大大提升了我国火箭满足不同用户需要的适应性,提高了我国火箭在国际发射市场的竞争力。
       所谓“上面级”是指运载火箭最上面的一级或数级。最初的运载火箭都不带上面级,后来为了满足有效载荷不同发射任务需求,上面级才脱颖而出。上面级自上世纪80年代末开始,即在中国出现,但均为满足某种单一任务而研制,只具有一次起动能力,工作时间较短,对于更多发射任务适应性较弱。
       作为一种液体推进剂的上面级,远征一号和“前辈们”最大的优势在于,可多次起动且工作时间达到数小时,其功能相对独立,即当其被基础级运载器发射进入准地球轨道或地球轨道后,能够进一步将有效载荷送入预定工作轨道或预定空间位置。而此前的运载火箭基础级只能将“乘客”——卫星、飞船等航天器等送到太空,但是不能到达最终目的地,需要上面级接力完成空间运输,通过再次或多次点火,给“乘客”再加几把力,将其送达想要去的位置,就如同机场的摆渡车,因而被航天领域认为是真正意义的“太空摆渡车”。
       “太空摆渡车”未来应用领域不仅仅局限北斗工程,其通用化和系列化还具备未来拓展的潜力。据了解,通过将远征一号或其改型上面级与我国长征系列运载火箭灵活组合,可最大程度发挥基础级火箭的运载能力。利用上面级轨道部署能力,以一箭多星发射方式,可有效提高发射效率,减少发射组织次数,降低任务成本,满足日益增长的航天高密度发射需求。同时,上面级还可以为有效载荷提供能源供给等基础服务。相对于航天器,上面级成本较低,轨道机动能力强,可作为空间技术试验的通用平台,完成更多的拓展应用任务。
       截至目前,我国火箭发射以95.5%的成功率,居世界前三;火箭发射次数达到203次,位居世界前列。新一代运载火箭采用全三维数字化设计生产模式,实现了研制模式变革,被称为“数字火箭”。此外,航天制造的高含金量也让其成为中国高端制造的代名词,实现了火箭跨型号百发组批生产,中国火箭进入产业化时代。
       为满足用户多样发射需求,欧美等航天巨头多采用上面级来提高火箭的适应性和竞争力。中国运载火箭技术研究院党委书记梁小虹透露,中国运载火箭技术研究院将在远征一号的基础上逐步构建多种类、多用途的上面级产品。
       据悉,2015仍是中国航天高强密度发射的一年,我国新一代小型运载火箭“长征十一号”首飞在即,新一代中型运载火箭“长征七号”进入首飞前最后“冲刺”阶段,新一代大型运载火箭也是我国最大运载火箭“长征五号”已经完成二次试车。未来三年中国航天预计完成50次发射。
       太空摆渡车”4大特点       
       梁小虹介绍说,“太空摆渡车”主要有四大特点:一是兼具运载器与航天器的技术特性,是在运载火箭或重复使用运载工具上面,增加的相对独立的一级或多级,可依靠自身动力携带航天器继续飞行。
       屏蔽此推广内容二是可多次启动。运载火箭将其送入太空后,“太空摆渡车”能多次点火启动,满足不同发射任务的需求。
       三是工作时间长。长于运载火箭的工作时间,可以达到数小时、数天乃至数十天。
       四是可以先后把不同“乘客”送到不同目的地。在太空,“太空摆渡车”接力火箭继续执行飞行任务,可通过飞行轨道的变化,将携带的一个或多个航天器直接送到工作地点。
       北斗卫星或成首位乘客
资料图:远征1号上面级示意图
       2015年是中国航天发射的又一个密集年,计划完成20次宇航发射,将超过40个航天器送入太空。而3月30日这一天将成为中国航天再创多项第一的日子:新一代上面级远征一号即将以“太空摆渡车”的使命迎来首次太空之旅。“上面级”是什么?“远征一号”未来又将担负什么样的太空发射任务?它的出现将带给中国航天哪些深刻的变化呢?或许可以从远征一号这个名称中看到一些端倪。
       远征一号上面级是什么?       
       所谓上面级就是运载火箭最上面的一级或多级,其以下的几级火箭被称为基础级。上面级有自主轨道机动能力,在轨飞行时间长,一般可多次启动点火,满足不同发射任务需求,能将一个或多个有效载荷(如卫星、空间探测器等)送入预定轨道,就如同机场的摆渡车。使用上面级可以大大减少有效载荷自身的燃料消耗,从而大大延长工作寿命。
       据长征-3A系列运载火箭总设计师姜杰在两会期间接受专访时透露,长征-3C/远征-1是在原本3级的长征-3C火箭上面增加一级,从而变成4级火箭。4级火箭的主要任务是搭载可以直接入轨的卫星。以往的3级火箭只能将卫星送至转移轨道,即3级火箭发射的轨道是椭圆的,卫星需要变轨为圆形轨道。而改进后的4级火箭可以直接将卫星发送至距离更为遥远的目标轨道,卫星不需要再变轨。3级火箭的飞行只需要半小时左右,而4级火箭则需要飞行4~6小时,能飞到几万公里的外太空。
       远征一号将为谁“摆渡”?
       对于30日远征一号将要摆渡的首个“客人”是谁,中国航天业界并不愿过多评论。不过国内媒体此前曾公开报道称,2015年我国计划发射4颗“北斗”全球导航试验卫星,对全球导航卫星系统中的新技术进行验证。
       据中国运载火箭研究院党委书记梁小虹在两会期间介绍,新研制的远征-1上面级有四大特点:一是兼具运载器与航天器的技术特性。它是在运载火箭或重复使用运载工具上面增加的相对独立的一级或多级,可依靠自身动力携带航天器继续飞行。二是可多次启动。运载火箭将其送入太空后,上面级能多次点火启动,满足不同发射任务的需求。三是工作时间长。上面级长于运载火箭的工作时间,可以达到数小时、数天乃至数十天。远征-1上面级首次采用了液体推进剂,在轨工作时间为6.5小时。四是可以先后把不同“乘客”送到不同目的地。在太空,上面级接力火箭继续执行飞行任务,可通过飞行轨道的变化,将携带的一个或多个航天器直接送到工作地点。
       由于上面级拥有众多优点,美俄等国很早就在研制并使用。美国目前总共研制出10多种上面级,用于发射大、中、小型有效载荷。如“阿金纳”、变轨级、有效载荷助推舱/Star-48B、惰性上面级、“半人马座”上面级等。
       苏联/俄罗斯也先后打造了各种上面级。如D段、DM段、DM-SL段、微风-KM、微风-M和“弗雷盖特”等上面级。欧洲航天局后发制人起点高,研制了可贮存液体上面级EPS以及低温上面级ESC-A和ESC-B。这些航天大国,不仅用装有上面级的运载火箭把卫星直接送入轨道,美国还曾用航天飞机发射卫星和空间探测器,它是靠装在货舱内的有效载荷助推舱/Star-48B上面级来发射。目前,为了降低卫星成本,美国GPS-2F导航卫星不用远地点发动机入轨,而用装有上面级的“宇宙神-5”或“德尔塔-4”火箭直接送入工作轨道。
       上面级也常用于“一箭多星”发射,以有效降低发射成本。美国的“半人马座”、俄罗斯的微风-M、欧洲的EPS等著名上面级,具有多次变轨、高精度导航、星箭接口适应性强等特点,都具备多星多轨道发射能力,进行快速组网。如2015年3月28日(北京时间),装有“弗雷盖特”上面级的俄罗斯联盟-ST火箭就一举发射了第7颗和第8颗欧洲“伽利略”导航卫星,把它们分别送到两个轨道面。美国甚至还用上面级完成某些特殊任务,比如用“半人马座”上面级先将美国“月球陨坑观测与感知卫星”送至月球轨道,然后用“半人马座”上面级对月球进行撞击。
       远征一号不只是一个任务型号,而是系列编号
       据了解,从上世纪80年代末开始,中国先后研制出多型固体推进剂上面级,并进行了多次飞行,全部取得圆满成功。但此前的上面级均为满足某种单一任务而研制,只具有一次启动能力,工作时间较短,对于更多发射任务适应性较弱。远征一号作为一种液体推进剂上面级,有望成为中国航天领域真正意义上的“太空摆渡车”。
       梁小虹表示,为加强中国航天在深空探测、空间试验等空间领域的探索和服务能力,中国运载火箭技术研究院将按照系列化发展的思路,在远征一号的基础上逐步构建多种类、多用途的上面级产品。
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