時隔 6 年多，我國“一箭多星”的發(fā)射記錄終于被再次打破——2022 年 2 月 27 日 11 時 06 分，長征八號(以下簡稱“長八”)遙二運載火箭發(fā)射成功，將共計 22 顆衛(wèi)星分別順利送入預(yù)定軌道。

　　與 2015 年 9 月 20 日長征六號的“一箭 20 星”相比，僅僅 10% 的運載衛(wèi)星個數(shù)的上漲，似乎遠不足以讓它在被俄烏新聞塞得密不透風(fēng)的媒體平臺中，撕出刷屏的空間——但其實，這次發(fā)射將給我國航天技術(shù)發(fā)展帶來深遠影響。

　　作為一個定位于商業(yè)應(yīng)用的火箭類型，此次的長八遙二火箭堪稱一次大膽的嘗試，“一箭發(fā)射多軌道衛(wèi)星”不過是其中之一。

　　“一箭多星”

　　1981 年 9 月 20 日 5 時 28 分，“風(fēng)暴一號”運載火箭從酒泉基地(酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心前身)起飛。7 分 20 秒之后，三顆衛(wèi)星(實踐二號、實踐二號甲、實踐二號乙三顆科學(xué)實驗衛(wèi)星)逐一與火箭分離，進入預(yù)定軌道。至此，繼前蘇聯(lián)、美國和歐洲航天局之后，中國成為第四個掌握“一箭多星”發(fā)射技術(shù)的國家。

　　“一箭多星”，即在一枚運載火箭上搭載多顆衛(wèi)星。目前，世界上共有 6 個國家掌握了這項技術(shù)。在我國實現(xiàn)“一箭多星”27 年之后，印度和日本也先后發(fā)射了自己的“多星”火箭。此后十年，一次性發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量的紀錄持續(xù)被快速刷新，到 2017 年，印度在一顆火箭上搭載的衛(wèi)星數(shù)量已經(jīng)達到了三位數(shù)，成功達成“一箭 104 星”。

　　事情進展到這里，外行人可能也回過味來了。當(dāng)單顆火箭搭載人造衛(wèi)星的數(shù)量增加到某個數(shù)值，單純的數(shù)量增加導(dǎo)致的變化可能只會停留在量變的范疇內(nèi)。也就是說，發(fā)射衛(wèi)星的數(shù)量，并不一定和航天技術(shù)的高超程度成正比。

　　目前來看，“一箭多星”技術(shù)分為兩大類：一類是將所有載荷發(fā)射到同一條軌道;另一類是分別將不同的衛(wèi)星發(fā)射到各自的軌道。前者即印度的“一箭 104 星”以及絕大多數(shù)星鏈衛(wèi)星采用的方式，后者是長八遙二使用的方法。兩類發(fā)射，對應(yīng)著不同的運載火箭要求。

　　第一類發(fā)射任務(wù)是在運載火箭的末子級關(guān)機后，只需要將所承載衛(wèi)星依次釋放出來即可。這其中，需要考慮的主要問題是各個衛(wèi)星釋放后可能出現(xiàn)碰撞。這個問題的解決方法并不難，即控制釋放衛(wèi)星時的速度或者時間，使其稍有不同。

　　至于將多顆衛(wèi)星發(fā)射到不同軌道，就沒那么簡單了。它要求運載火箭在滿足前者技術(shù)水準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，還要在進入初始軌道后，依然具備變軌的能力，這就不是常規(guī)的運載火箭可以做到的了。它需要衛(wèi)星從“上車”到“下車”的整套流程解決方案。

　　以本次的長八遙二為例，第一步是要把這些衛(wèi)星合理布局在火箭整流罩里。長八遙二任務(wù)所搭載的 22 顆衛(wèi)星分屬 7 家不同的衛(wèi)星制造商，每一家的衛(wèi)星體積、尺寸、重量都存在較大差異，所以布局時，首先考慮如何有效利用整流罩內(nèi)空間。

　　結(jié)合任務(wù)需求，設(shè)計團隊對傳統(tǒng)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)進行梳理，設(shè)計了新的三層式多星分配器，最終為“乘客”提供了三層“座椅”。三層式多星分配器從下到上分別由錐形支架、中心承力筒和圓盤平臺組成。最終，22 顆衛(wèi)星的布局為：錐形支架(沿用了長八遙一火箭的結(jié)構(gòu))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。

　　對于一些直徑較大、不適合側(cè)掛的衛(wèi)星，設(shè)計團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。

　　衛(wèi)星終于順利裝進了整流罩，之后要解決的，就是讓它們安全準(zhǔn)確“下車”的問題，這也是設(shè)計團隊遇到的最大難題之一。

　　首先要考慮的是衛(wèi)星近場分離安全性。衛(wèi)星與箭體分離過程中，需要考慮衛(wèi)星不同的解鎖方式和分離能源所帶來的運動偏差。某些時候，這些小偏差會使衛(wèi)星之間距離縮小，進而威脅到箭體的安全。

　　根據(jù)衛(wèi)星的不同分離機構(gòu)，設(shè)計團隊對所有的箭體和衛(wèi)星偏差進行了多輪仿真計算，讓各衛(wèi)星之間保留一定的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，遠場分離安全性也是設(shè)計人員需要考慮的重點。”負責(zé)彈道設(shè)計的李靜琳介紹，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(guān)鍵因素。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)計人員來說是個不小的挑戰(zhàn)。

　　22 顆衛(wèi)星加上火箭末級就是 23 個分離體，為了保證彼此之間分離的安全性，設(shè)計團隊要計算分析每一個衛(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)星布局和設(shè)計分離方案，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)星近遠場安全，讓 22 顆衛(wèi)星安心“下車”。

　　具體到分離動作的設(shè)計，也并非易事。對 23 個分離體兩兩之間的相對距離分析，本身所需計算量就非常大，在此基礎(chǔ)上，還要維持火箭調(diào)姿過程中天基可見，這就要求箭體調(diào)姿角度不能過大。多項要求夾擊之下，難度也隨之增大：“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，遠場分離計算量比以往翻了好幾倍。”

　　為此，設(shè)計團隊專門研制了一個多星遠場分析工具，這樣一來，“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(zhǔn)確性。”

　　最終，根據(jù)每顆衛(wèi)星的分離方式，結(jié)合任務(wù)需求等多種因素，二子級在偏航和俯仰角上作出相應(yīng)的調(diào)整，22 顆衛(wèi)星分 12 次終于依次成功部署入軌。

　　“本次任務(wù)一共需完成 22 星分離，共計完成 12 次分離動作，創(chuàng)造了中國航天的新紀錄。可以說星箭分離中長征八號火箭宛如跳了一場‘芭蕾’，最終 22 顆星的釋放就如‘天女散花’一般。”中國運載火箭技術(shù)研究院長八副總指揮段保成總結(jié)道。

　　為商業(yè)化定制

　　如果有心觀察，很容易發(fā)現(xiàn)，長八遙二運載火箭長得和以前的火箭不太一樣：底部的助推器不見了，成了一個徹底的“光桿”火箭。

　　事實上，這種不帶助推器的火箭正是該型號火箭的新構(gòu)型。長八副主任設(shè)計師陳曉飛說，與遙一火箭相比，長八遙二火箭外形最大的區(qū)別就是取消了兩個助推器，從兩級半構(gòu)型變成了兩級串聯(lián)構(gòu)型。

　　長八火箭是我國新一代主力中型運載火箭，也是目前我國中低軌運力最強的商業(yè)火箭，于 2020 年 12 月成功首飛，填補了我國太陽同步軌道運載能力 3 噸至 4.5 噸的能力空白，可以承擔(dān)我國 80% 以上的中低軌發(fā)射任務(wù)。此次無助推的“光桿”型長征八號遙二運載火箭，運載能力就達到 3 噸

　　長八是瞄準(zhǔn)未來發(fā)射市場需求而專門打造的一型火箭，作為定位于商業(yè)應(yīng)用的火箭，成本就成了必須考慮的因素，長八遙二火箭在此基礎(chǔ)上又做了進一步調(diào)整和嘗試。

　　使用新構(gòu)型就是嘗試之一。長八火箭項目辦胡輝彪介紹，使用新構(gòu)型可以做到“一舉多得”。除了可以檢驗新構(gòu)型的正確性、協(xié)調(diào)性和匹配性，開拓中型主力火箭市場之外，減少兩個助推器，還可以緩解生產(chǎn)、總裝和測試的壓力，讓研制周期縮短、研制成本降低。

　　“未來，人類進入太空的需求越來越大，空間的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求越來越大，因此改變發(fā)射場流程、縮短火箭研制周期迫在眉睫。”肖耘介紹。

　　為此，長八遙二火箭還采用“模塊化”“組合化”設(shè)計思路。早在研制伊始，設(shè)計人員就充分兼顧了火箭不帶助推器的狀態(tài)，并納入遙一火箭的考核包絡(luò)中。因此，遙二火箭無需進行大規(guī)模更改，只需針對載荷、飛行軌道進行適應(yīng)性調(diào)整。最終，自成功首飛到完成總裝總測、具備出廠條件，長八遙二火箭僅用了 1 年時間。

　　另外，火箭的整流罩高度也從 8 米縮短到 5.4 米，降低了全箭關(guān)鍵部位受載的同時，發(fā)射成本也隨之降低。當(dāng)然，這并全出于成本的考慮。從技術(shù)層面出發(fā)，因為需要發(fā)射的衛(wèi)星體積較小，重量也更輕，本身也不需要用長八遙一火箭那么大的整流罩。而從氣動外形來說，短一點的整流罩可以降低載荷，放寬火箭發(fā)射放行條件，提高火箭發(fā)射概率，為后續(xù)高密度發(fā)射奠定基礎(chǔ)。

　　“共享”模式也是基于成本的考慮——衛(wèi)星搭載方的成本。此次發(fā)射的 22 顆衛(wèi)星主要為光學(xué)遙感衛(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)。這些衛(wèi)星分別來自國內(nèi) 7 家商業(yè)航天企業(yè)。當(dāng)然，費用也是 7 家分攤。

　　“簡單地說就是拼車方案，為用戶提供經(jīng)濟實惠的發(fā)射服務(wù)，門檻大大降低了。”長八火箭總指揮肖耘說。而有了此次長八遙二火箭的成功探索經(jīng)驗，火箭院在推進共享發(fā)射常態(tài)化的信心也就更強了。

　　目前，長八火箭總裝最快是 23 天。然而，總裝后，從天津廠房運到發(fā)射場，還需要進行火工品安裝、單元測試等流程。如果在發(fā)射場旁就近建設(shè)總裝測試廠房，就可以把發(fā)射場測試和出廠測試合二為一，節(jié)省一系列測試、檢查、轉(zhuǎn)運的步驟，壓縮火箭在發(fā)射場的周期，適應(yīng)未來市場對長八火箭快速發(fā)射的需求。

　　經(jīng)過長八火箭團隊的努力，目前，海南總裝測試廠房已經(jīng)開始施工建設(shè)，發(fā)射工位也正在論證過程中。一旦完成，一周就能實現(xiàn)一次長八火箭發(fā)射，一年預(yù)計可發(fā)射 50 次，“星辰大海”的未來堪稱可期。
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