時(shí)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(shí) 06 分，長(cháng)征八號(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“長(cháng)八”)遙二運載火箭發(fā)射成功，將共計 22 顆衛星分別順利送入預定軌道。

　　與 2015 年 9 月 20 日長(cháng)征六號的“一箭 20 星”相比，僅僅 10% 的運載衛星個(gè)數的上漲，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(shí)，這次發(fā)射將給我國航天技術(shù)發(fā)展帶來(lái)深遠影響。

　　作為一個(gè)定位于商業(yè)應用的火箭類(lèi)型，此次的長(cháng)八遙二火箭堪稱(chēng)一次大膽的嘗試，“一箭發(fā)射多軌道衛星”不過(guò)是其中之一。

　　“一箭多星”

　　1981 年 9 月 20 日 5 時(shí) 28 分，“風(fēng)暴一號”運載火箭從酒泉基地(酒泉衛星發(fā)射中心前身)起飛。7 分 20 秒之后，三顆衛星(實(shí)踐二號、實(shí)踐二號甲、實(shí)踐二號乙三顆科學(xué)實(shí)驗衛星)逐一與火箭分離，進(jìn)入預定軌道。至此，繼前蘇聯(lián)、美國和歐洲航天局之后，中國成為第四個(gè)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星。目前，世界上共有 6 個(gè)國家掌握了這項技術(shù)。在我國實(shí)現“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)射衛星數量的紀錄持續被快速刷新，到 2017 年，印度在一顆火箭上搭載的衛星數量已經(jīng)達到了三位數，成功達成“一箭 104 星”。

　　事情進(jìn)展到這里，外行人可能也回過(guò)味來(lái)了。當單顆火箭搭載人造衛星的數量增加到某個(gè)數值，單純的數量增加導致的變化可能只會(huì )停留在量變的范疇內。也就是說(shuō)，發(fā)射衛星的數量，并不一定和航天技術(shù)的高超程度成正比。

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

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

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

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

　　結合任務(wù)需求，設計團隊對傳統衛星結構進(jìn)行梳理，設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(pán)平臺組成。最終，22 顆衛星的布局為：錐形支架(沿用了長(cháng)八遙一火箭的結構)搭載 2 顆衛星，中心承力筒搭載 14 顆衛星，圓盤(pán)平臺搭載 6 顆衛星。

　　對于一些直徑較大、不適合側掛的衛星，設計團隊則在中心承力筒上方新設計了一個(gè)圓盤(pán)平臺，讓大直徑衛星安裝操作更簡(jiǎn)潔，分離方向上也沒(méi)有其他衛星去干涉。

　　衛星終于順利裝進(jìn)了整流罩，之后要解決的，就是讓它們安全準確“下車(chē)”的問(wèn)題，這也是設計團隊遇到的最大難題之一。

　　首先要考慮的是衛星近場(chǎng)分離安全性。衛星與箭體分離過(guò)程中，需要考慮衛星不同的解鎖方式和分離能源所帶來(lái)的運動(dòng)偏差。某些時(shí)候，這些小偏差會(huì )使衛星之間距離縮小，進(jìn)而威脅到箭體的安全。

　　根據衛星的不同分離機構，設計團隊對所有的箭體和衛星偏差進(jìn)行了多輪仿真計算，讓各衛星之間保留一定的近場(chǎng)分離過(guò)程中的動(dòng)態(tài)間隙，保證近場(chǎng)分離安全性。

　　“衛星數量越多，分離出去后在軌道飛行碰撞的風(fēng)險就越大，遠場(chǎng)分離安全性也是設計人員需要考慮的重點(diǎn)。”負責彈道設計的李靜琳介紹，分離速度、分離方向、分離順序是影響衛星后續運動(dòng)軌跡的關(guān)鍵因素。要在有限的外界分離軌道將 22 顆衛星錯開(kāi)，避免兩兩衛星之間干涉，對設計人員來(lái)說(shuō)是個(gè)不小的挑戰。

　　22 顆衛星加上火箭末級就是 23 個(gè)分離體，為了保證彼此之間分離的安全性，設計團隊要計算分析每一個(gè)衛星運行的軌道參數，對 23 個(gè)分離體兩兩之間的相對距離進(jìn)行長(cháng)周期的仿真、觀(guān)察和考核，并根據衛星布局和設計分離方案，采取了 12 次分離動(dòng)作，依次將 22 顆衛星逐步分離出去，并通過(guò)不斷調整末級箭體的姿態(tài)，實(shí)現不同衛星的分離方向調整，確保各個(gè)衛星近遠場(chǎng)安全，讓 22 顆衛星安心“下車(chē)”。

　　具體到分離動(dòng)作的設計，也并非易事。對 23 個(gè)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，在此基礎上，還要維持火箭調姿過(guò)程中天基可見(jiàn)，這就要求箭體調姿角度不能過(guò)大。多項要求夾擊之下，難度也隨之增大：“這是一個(gè)相當于多個(gè)對象、多種約束、長(cháng)周期的、需要通過(guò)多輪迭代解決的一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題，遠場(chǎng)分離計算量比以往翻了好幾倍。”

　　為此，設計團隊專(zhuān)門(mén)研制了一個(gè)多星遠場(chǎng)分析工具，這樣一來(lái)，“通過(guò)一次仿真，就可以自動(dòng)完成 23 個(gè)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(chǎng)分析的準確性。”

　　最終，根據每顆衛星的分離方式，結合任務(wù)需求等多種因素，二子級在偏航和俯仰角上作出相應的調整，22 顆衛星分 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(dòng)作，創(chuàng )造了中國航天的新紀錄?？梢哉f(shuō)星箭分離中長(cháng)征八號火箭宛如跳了一場(chǎng)‘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(cháng)八副總指揮段保成總結道。

　　為商業(yè)化定制

　　如果有心觀(guān)察，很容易發(fā)現，長(cháng)八遙二運載火箭長(cháng)得和以前的火箭不太一樣：底部的助推器不見(jiàn)了，成了一個(gè)徹底的“光桿”火箭。

　　事實(shí)上，這種不帶助推器的火箭正是該型號火箭的新構型。長(cháng)八副主任設計師陳曉飛說(shuō)，與遙一火箭相比，長(cháng)八遙二火箭外形最大的區別就是取消了兩個(gè)助推器，從兩級半構型變成了兩級串聯(lián)構型。

　　長(cháng)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(yáng)同步軌道運載能力 3 噸至 4.5 噸的能力空白，可以承擔我國 80% 以上的中低軌發(fā)射任務(wù)。此次無(wú)助推的“光桿”型長(cháng)征八號遙二運載火箭，運載能力就達到 3 噸

　　長(cháng)八是瞄準未來(lái)發(fā)射市場(chǎng)需求而專(zhuān)門(mén)打造的一型火箭，作為定位于商業(yè)應用的火箭，成本就成了必須考慮的因素，長(cháng)八遙二火箭在此基礎上又做了進(jìn)一步調整和嘗試。

　　使用新構型就是嘗試之一。長(cháng)八火箭項目辦胡輝彪介紹，使用新構型可以做到“一舉多得”。除了可以檢驗新構型的正確性、協(xié)調性和匹配性，開(kāi)拓中型主力火箭市場(chǎng)之外，減少兩個(gè)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(lái)，人類(lèi)進(jìn)入太空的需求越來(lái)越大，空間的基礎設施建設需求越來(lái)越大，因此改變發(fā)射場(chǎng)流程、縮短火箭研制周期迫在眉睫。”肖耘介紹。

　　為此，長(cháng)八遙二火箭還采用“模塊化”“組合化”設計思路。早在研制伊始，設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(wú)需進(jìn)行大規模更改，只需針對載荷、飛行軌道進(jìn)行適應性調整。最終，自成功首飛到完成總裝總測、具備出廠(chǎng)條件，長(cháng)八遙二火箭僅用了 1 年時(shí)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(shí)，發(fā)射成本也隨之降低。當然，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)射的衛星體積較小，重量也更輕，本身也不需要用長(cháng)八遙一火箭那么大的整流罩。而從氣動(dòng)外形來(lái)說(shuō)，短一點(diǎn)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，為后續高密度發(fā)射奠定基礎。

　　“共享”模式也是基于成本的考慮——衛星搭載方的成本。此次發(fā)射的 22 顆衛星主要為光學(xué)遙感衛星，主要用于對地觀(guān)測、低軌物聯(lián)網(wǎng)通訊、空間科學(xué)試驗，可提供資源調查、合成孔徑雷達數據支持、物聯(lián)網(wǎng)分散終端數據采集、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)。這些衛星分別來(lái)自國內 7 家商業(yè)航天企業(yè)。當然，費用也是 7 家分攤。

　　“簡(jiǎn)單地說(shuō)就是拼車(chē)方案，為用戶(hù)提供經(jīng)濟實(shí)惠的發(fā)射服務(wù)，門(mén)檻大大降低了。”長(cháng)八火箭總指揮肖耘說(shuō)。而有了此次長(cháng)八遙二火箭的成功探索經(jīng)驗，火箭院在推進(jìn)共享發(fā)射常態(tài)化的信心也就更強了。

　　目前，長(cháng)八火箭總裝最快是 23 天。然而，總裝后，從天津廠(chǎng)房運到發(fā)射場(chǎng)，還需要進(jìn)行火工品安裝、單元測試等流程。如果在發(fā)射場(chǎng)旁就近建設總裝測試廠(chǎng)房，就可以把發(fā)射場(chǎng)測試和出廠(chǎng)測試合二為一，節省一系列測試、檢查、轉運的步驟，壓縮火箭在發(fā)射場(chǎng)的周期，適應未來(lái)市場(chǎng)對長(cháng)八火箭快速發(fā)射的需求。

　　經(jīng)過(guò)長(cháng)八火箭團隊的努力，目前，海南總裝測試廠(chǎng)房已經(jīng)開(kāi)始施工建設，發(fā)射工位也正在論證過(guò)程中。一旦完成，一周就能實(shí)現一次長(cháng)八火箭發(fā)射，一年預計可發(fā)射 50 次，“星辰大海”的未來(lái)堪稱(chēng)可期。
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