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中国"太空摆渡车"将增新成员 "上面级"技术领先世界

2018-02-13 09:13:16   澎湃新闻

2月12日,与火箭第三级分离后,“远征一号”上面级承载着“北斗三号”卫星向预定轨道飞去。约3个半小时后,“远征一号”上面级将卫星送入目标轨道,发射任务取得圆满成功。本次发射任务是“远征一号”上面级第六次执行发射飞行任务,也是“远征”家族的第八次成功飞行。

长征三号乙运载火箭在西昌卫星发射中心成功发射升空。

“太空摆渡车”国产化比例提高

据“远征一号”上面级研制人员介绍,采用上面级一箭双星直接入轨发射也是未来北斗三号卫星工程的主要发射方式。“上面级”是一种运载工具,主要安装在基础级运载器(火箭、航天飞机等)上面。基础级运载器发射进入准地球轨道或地球轨道,上面级依靠自身动力进一步将有效载荷(如卫星、空间探测器等)送入预定工作轨道。

它就好像机场的“摆渡车”可以将乘客送往不同目的地一样,可以先后把不同的卫星直接送到工作轨道。因此,上面级又被称为“太空摆渡车”。有了“太空摆渡车”之后,卫星或探测器可以在几个小时内就进入工作轨道,若使用传统火箭则需要几天,并且耗费几吨重的燃料。此次用于发射北斗三号卫星的长征三号乙火箭就是增加了“远征一号”上面级,成为一款四级火箭。

中国航天科技集团有限公司透露,2018年将是中国航天高产的一年,远征系列上面级也将迎来了“高密度”发射时代。2018年远征系列上面级将执行8次北斗三号卫星工程组网发射任务,护送16颗北斗导航卫星进入太空。为了让“乘客”有更好的飞行体验,研制团队不断创新、改进方案,从而让“乘客”更精准、舒适到达目的地。

上面级副总师叶成敏告诉澎湃新闻,远征上面级从火箭手中接过飞行“接力棒”后,所处的工作环境发生了变化,各种太空射线、太空力热环境非常复杂。

上面级最初诞生时,考虑到元器件的考核程度、技术成熟度等因素,研制团队为了稳妥可靠,大部分选择了进口元器件,且元器件的性能水平也普遍高于所需的水平。

叶成敏表示,随着上面级技术的成熟和国产元器件水平的稳步提高,远征系列上面级使用的元器件国产化比例大幅提高,绝大部分元器件都实现了国产化,技术和产品质量更加可控

上面级增加“冗错机制”

上面级接过火箭的“交接棒”在太空飞行,飞行路径和高度都预置好的,如果出现“上一棒”没有在指定“车站”停车的情况,上面级会怎样调整呢?

叶成敏介绍说,以前设计师们更担心的是火箭无法飞行到预定位置,制定的预案也大多针对这种情况,但实际还有一种可能性,火箭有可能飞“过站”。考虑到这种情况,上面级也做了相应的技术改进,为上面级增加了“冗错机制”,即使“乘客”坐过站,上面级也能重新规划飞行路线,确保将“乘客”准确送达目的地。

除了将“乘客”(卫星或探测器)送到预定地点这一重要使命,上面级在太空飞行时重还有一个重要使命是测量自身所处的太空环境,将数据传回地面,以便为后续其它飞行器进入太空积累经验。

但随着太空飞行次数的增加,飞行器在太空采集的数据门类不断固化,研制团队对太空环境的认识也不断提高,因此有些数据不需重复采集。

叶成敏向澎湃新闻表示,此次发射的上面级通过调整测量等相关系统设计,在保证测量需求的前提下,将环境和力学参数测量传感器的数量从百余个减少到二十多个,为上面级“瘦身”,从而使它能携带更多的载荷。

新成员:“远征一号”S上面级

记者从中国航天科技集团有限公司了解到,今年远征上面级家族将再添新成员——“远征一号”S上面级。

“远征一号”S上面级和其他三个“兄弟”一样(“远征一号”、“远征一号”甲和“远征二号”),都是由中国航天科技集团有限公司所属中国运载火箭技术研究院抓总研制。“远征一号”S上面级是专门为满足中低轨、短时间的发射需求研制的一型新产品。目前,该上面级已经完成总体设计,预计将于今年与长征二号丙运载火箭组合执行太阳同步轨道发射任务。

远征系列上面级设计师王明哲向澎湃新闻表示,“远征一号”S上面级是一个产品化的上面级,属于远征一号上面级的商业版和简化版,可以与直径为3.35米的火箭组合完成短时间飞行的发射任务。

“远征一号”S上面级算是“远征一号”上面级改进型,改进的主要地方是针对短时间的飞行任务。“远征一号”上面级飞行约为6.5个小时,整个飞行任务基本上在1小时以内。之所以飞行时间大为缩短,主要是因为“远征一号”S上面级执行任务时间短,与基础级分离完成后就马上点火加速。王明哲表示,型号队伍针对这一任务特点,在“远征一号”上面级的基础上进行系统简化、元器件等级降低、冗余备份简化等改进,降低成本,让“远征一号”S成为一种经济型上面级,有助于进一步扩宽商业发射市场。

发射前,技术人员正在吊运北斗卫星。

中国上面级技术已跻身世界先进水平

“远征一号”S上面级加入后,远征上面级家族将进一步壮大,可满足我国日益增长的航天高密度发射需求,并且提升在国际发射市场的竞争力。远征上面级“家族”目前已有3位“成员”公开亮相,分别为“远征一号”、”远征一号”甲、远征二号,”远征一号”S将是这个家族的第四位成员。

根据公开信息,3位已经公开亮相的“成员”都已经出色完成了承担的发射任务。2015年3月30日,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。这是我国“远征一号”上面级的首次发射成功。2016年6月26日,“远征一号”的改进型——“远征一号”甲随长征七号运载火箭发射成功,相比“远征一号”,“远征一号”甲通过多项技术改进升级,性能大幅提升。其在轨飞行时间从6.5小时延长至48小时,主发动机由2次启动增加至9次启动,分离次数由1次增加至7次,灵活性大幅提高。2016年11月3日,我国最大的上面级“远征二号”随长征五号火箭发射成功。“远征二号”配备了2台台泵压式发动机,是我国目前规模最大、变轨能力最强的上面级。

根据中国航天科技集团有限公司提供的信息,“远征一号”上面级是基本型,主要针对中高轨的直接入轨任务,只有2次启动能力。“远征一号”甲上面级实现了多次启动、长时间在轨,目前启动次数已经提升至20次,可完成不同轨道多星部署任务,被称为“升级版太空摆渡车”。“远征二号”上面级是“远征一号”系列化的产品,有2台发动机,运载能力更大,可执行高轨多星的直接入轨任务,被称为“增强型太空摆渡车”。

“现在来看,远征上面级家族4名成员基本能满足不同发射任务的需求。未来型号队伍将再提高上面级任务的适应性。”王明哲说。

王明哲表示,其实,在上世纪80年代末就是开始研制上面级,并先后研制出多种类似运载器,但此前均为满足某一单一任务而研制,这些运载器对于更多发射任务适应性较弱。而现在研制的远征系列上面级通用性很强,能多次点火启动,可满足不同任务需求。

望远世界,上面级早已成为世界航天大国的标配,多个国家先后研发了数十种不同型号的上面级。比如美国的“半人马座”、俄罗斯“微风”和“弗雷盖特”等都是著名的上面级。

经过科研人员多年的攻关,目前我国远征上面级技术取得了长足的进步,为我国未来的月球、火星等深空探测任务,轨道转移、空间碎片清理等轨道服务,新材料、新技术空间试验验证等奠定了工程应用基础,对国家空间运输与空间应用系统的发展具有里程碑的意义。

“现在,我国的远征上面级技术达世界先进水平。未来,‘远征一号’上面级还将执行更多、更复杂的任务。”王明哲指出。

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责任编辑:CM035

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