“太空摆渡车”首飞载客成功

作者:上海市宇航学会 原创作者:太空探索 2015-06-16 00:00

         千呼万唤始出来。
         3月30日夜晚,中国首辆“太空摆渡车”——远征一号上面级“发车”,经过近6个小时的“车程”,将“乘客”——北斗卫星导航系统第17颗卫星直接送达工作地点——倾斜地球同步轨道。
         乘客轻装上阵享一站式抵达
         上面级是一种具有自主独立性的飞行器,由基础级运载器发射进入准地球轨道或地球轨道,能够领先自身动力进一步将有效载荷送入预定工作轨道或预定空间位置。
         被中国航天科技集团公司火箭设计师们亲切称为“太空摆渡车”的远征一号上面级,是为发射我国新一代北斗导航卫星而专门研制,首次采用液体推进剂,设计在轨工作时间为6.5小时。
         在30日晚开始的近6小时“车程”里,远征一号上面级及卫星组合体先是被火箭基础级送入椭圆过渡轨道,与基础级分离。随后,上面级第一次点火工作,将远地点高度调整到位,然后要经过一段时间的无动力滑行。到达转移轨道的远地点附近时,上面级第二次点火工作,将近地点高度调整到位。满足轨道和姿态要求后,上面级与卫星分离,将卫星送入目标轨道。
         “通俗地讲,这个过程就好比乘客在机场里乘坐摆渡车。”长征三号甲系列火箭副总设计师刘建忠解释说,之前火箭基础级只是把卫星送到“起点站”,卫星要想到达“终点站”,往往需要自己多次变轨,“步行”几天时间。通过“太空摆渡车”的载运,这一时间被缩短至不到6小时,而且卫星是直接“到站”,方便快捷。
         此外,因为有了上面级的鼎力相助,卫星减少了所携燃料,并减除了变轨发动机。“减负”后的卫星得以“轻装上阵”。
         

         打造高端巴士提升服务水平
         远征一号“太空摆渡车”为“乘客”提供优质服务的同时,相应地也给自身带来了研制难度。长征三号甲为系列火箭总指挥岑拯笑言,试验队里流传着这样两句话——一句是“上面级要一次成功地把卫星送到预定轨道,走的是‘独木桥’,做的是一锤子买卖”;另一句是“这次把鸡蛋(卫星)都放到了一个篮子(上面级)里,篮子必须得结实”。这些虽是玩笑话,却道出了此次任务的风险之大。
         上面级兼具备了火箭和卫星的技术特性。相较于以前最长半小时左右的飞行时间和几百千米的飞行高度,上面级要工作约6小时,飞行高度达到36000千米的同步轨道高度。更长的在轨时间和更高的飞行高度为上面级带来了与火箭完全不同的空间环境。“这对我们来说,是个前所未有的挑战。”长征三号甲系列火箭总设计师姜杰坦言。

 
         对此,研制团队借鉴了卫星的设计思想,围绕执环境、力学环境和电磁环境条件做了大量的试验工作,对飞行产品设计方案进行了全面考核验证。
         卫星供电系统和热控系统是上面级比基础级新增的两大系统。卫星供电系统可以保证上面级在飞行中对卫星供电。热控系统则通过主动热控和被动热控两种方式,使长时间在轨的上面级无论处于太阳直射还是地影条件下,都能保持适宜的温度。
         由于上面级结构复杂,与基础级分离后呈关开敞式状态,在太空中的温控设计便需要被单独考虑。“我们将加热带缠绕在输送管路上进行主动热控,再通过‘穿衣服’、‘敷面膜’的隔热包覆手段为上面级进行被动热控。”一院211厂总装事业部主管工艺员李凯介绍,“所以总装好的上面级外表是金光灿灿的,看起来像卫星一样。”此外,211厂还启用一院首个10万级总装洁净厂房,以满足远征一号上面级热控等性能对总装条件的高要求。

 
         而为了使卫星更精确地进入中高轨,远征一号上面级采用了高可靠、高精度的多重复合导航制导控制技术,来保证其“独木桥”之路走得稳且准。“上面级不仅能自主导航制导,还可以通过地面遥控来辅助制导。”姜杰说。
         作为我国远征系列首飞的上面级,远征一号在外形上采取了高可靠的轻质紧凑型结构设计,提高了运载能力,将更多空间留给卫星载荷使用。其内部设计更是突破了一系列先进技术;长时间高轨道自主导航制导控制技术、高性能发动机技术、空间粒子防护技术、推进剂管理技术、高码率远距离数据传输技术……内外兼修的全新设计使远征一号上面级堪称豪华的“太空摆渡车”。
         促产品化发展  助力高效组网
         远征一号上面级最初的设计工作是由长征三号甲系列火箭团队来完成的。随着上面级研制的推进和产品化设计的要求,远征系列上面级后续型号相继出炉,上面级的产品化专业团队也逐渐形成。
         “上面级的一个突出特点就是适应性强,可以搭配不同的火箭基础级,完成不同的发射任务。”一院一面级型号办副主任刘欣说,一院通过上面级团队的组建和组织管理模式的优化,实现了产品化设计思路自上而下的型号级探索。
         据刘欣透露,上面级在空间里的“摆渡”有很多种,包括不同轨道面、不同轨道高度以及不同轨道倾角的“摆渡”。在此次任务中,远征一号上面级只将一名“乘客”送到了终点站,其实还可以运送多名“乘客”至同一站点。而研制团队将来的目标是使“太空摆渡车”能够多次点火启动,“行驶”数小时、数天甚至数十天,多次变轨,把不同的“乘客”送到不同的目的地。
         “火箭上面级将高轨卫星直接发射入轨的技术,能够极大地提升卫星快速进入空间的能力,从而实现北斗卫星导航系统的快速、高效组网”。姜杰认为。
         按照我国对上面级的发展规划,未来,“太空摆渡车”还将在探月、探火等深空探测任务中,在轨道转移、空间碎片清理等轨道服务方面,以及在新材料、新技术验证等空间试验领域里,长途跋涉并施展“车技”。[font=MS Shell DLg]         如今,远征一号“太空摆渡车”开始“远征”,而其征途是星辰大海。
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