王伟童 高崇芮 董佳莹 科技日报记者 付毅飞
高亮 摄
随着中国航天发展,中低轨卫星发射需求越来越旺盛,而此前我国新一代火箭的运载能力尚存空白,不能满足3吨至4.5吨太阳同步轨道发射需求。
长征八号应运而生。一院长征八号运载火箭总指挥肖耘说,该型火箭将有力推动我国中型运载火箭的更新换代,而且将带动和牵引我国中低轨卫星的发展,满足未来中低轨高密度发射任务需求。
除了意义重大,从长征八号身上还能看到未来火箭的影子。或许在不久的将来,它能将我们对未来火箭的许多梦想一一变为现实。
填补太阳同步轨道运载能力空白
自上世纪80年代开始,我国就围绕新一代运载火箭开展了规划,逐步形成了小、中、大新一代运载火箭的型谱发展规划。
经过数十年预研和工程研制,我国成功研制了长征五号、长征七号等新一代运载火箭,形成了2.25米、3.35米和5米直径的通用模块,为后续新一代运载火箭 “模块化、系列化、组合化”发展奠定了基础。
长征八号的研制遵循既定发展思路,充分继承在役型号的产品和技术,借鉴已有的试验验证成果,实现型号快速集成研制。
一院长征八号运载火箭总设计师宋征宇介绍,长征八号是在长征七号火箭基础上,与长征三号甲系列火箭三子级组合形成的新构型火箭。其采用芯级捆绑2枚助推器构型,全长约50.3米,起飞质量约356吨,起飞推力约480吨,700公里太阳同步轨道运载能力不小于4.5吨。
肖耘表示,目前我国具备中低轨道发射能力的主力运载火箭,只能将3吨有效载荷送到太阳同步轨道,而长征八号将此项能力提升到了4.5吨。这不仅是长征系列火箭运载能力的提升,对卫星等有效载荷来说,也是平台的升级换代。
“未来,长征八号将和长征五号、长征六号、长征七号、长征十一号等新一代运载火箭形成更加优化、合理的能力布局。这将大力提升中国航天进出空间的能力,对推进中低轨道卫星组网建设具有重大意义。”肖耘说。
发动机推力调节技术为重复使用奠定基础
据一院长征八号运载火箭副总指挥段保成介绍,长征八号火箭在立项之初就确立了以市场需求为导向进行研制,从能力指标、经济可靠性等综合考虑,努力实现火箭研制和市场挖潜“双成功”。
记者从一院了解到长征八号的研制采用了虚实结合的模态分析技术,全箭动特性数据在已有模块试验数据及动力学模型的基础上,通过全箭动力学模型组装和数值仿真计算获取。长征八号的研制探索,为后续大型、重型火箭的模态综合技术奠定了基础,有助于大幅缩短其研制周期,降低研制费用。
为了能在商业市场占据有利阵地,研制团队在对长征八号电气、结构等方面进行低成本设计的同时,还开展了垂直起降研究,对该火箭采用了可回收设计,力求实现可重复使用。
要向实现火箭的重复使用,发动机推力调节是重要技术之一。本次飞行任务中,长征八号液体发动机实施了节流控制,这是发动机推力调节技术在我国运载火箭首次实现工程应用。该技术不仅能大幅提升火箭的总体设计优化能力和任务适应能力,其首次应用也为后续相关技术进行了先期技术验证,为我国重复使用运载火箭研制奠定了基础。
多项新技术让火箭更聪明
近年来,我国运载火箭高密度发射已呈常态化,但也偶尔发生飞行故障甚至飞行失利的案例。如果火箭具备故障诊断和自主飞行能力,在发生故障时,自主调整,飞行结果便能大幅改善。
科研人员在长征八号身上,通过研究分析各种减载稳定控制方法,并采用自抗扰技术进行实时补偿控制,提高主动减载的效果,解决了大整流罩带来的静不稳定度大的难题。
同时,基于控制效果的喷管极性辨识和控制重构算法,能让运载火箭更聪明。通过该技术的应用,长征八号具备了滑行段飞行故障在线辨识能力,能够在特定故障工况下自主进行姿态控制重构,提升了飞行控制适应性和智能化水平。
针对当前我国运载火箭火箭测试周期长、在发射区占位时间长的问题,科研团队积极探索火箭快速发射路径,为长征八号设计了“两平一垂”发射模式,即水平组装、水平状态整体运输、星罩组合体垂直转场对接。预计在2022年左右,长征八号将实现“两平一垂”发射。届时发射区将不再需要规模庞大、组成复杂的塔架,可减少建设成本。
为什么要向太阳同步轨道发射卫星?
钱航
对传统战略型任务来说,长期稳定性和全球覆盖能力是卫星轨道应该具备的重要特性,如地球静止轨道(GEO)、闪电轨道(Molniya)和太阳同步轨道(SSO)等。这些轨道都着眼于卫星长期在轨执行任务。
太阳同步轨道的轨道平面与太阳的夹角保持不变,有利于卫星对地面进行长期观测。太阳同步轨道可以为一些观测型任务提供较稳定的太阳入射条件,在太阳同步轨道上运行的卫星,可在相同的时间和光照条件下观察云层和地面目标。因此,气象卫星、地球资源卫星和照相侦察卫星一般都选取太阳同步轨道,以使拍摄的地面目标的图像最好。
为了保证对地观测类卫星前后2天可在相同时间、相同光照条件下观察云层和地面目标,卫星的轨道平面,要与太阳、地球连线保持固定的夹角。由于地球绕着太阳公转,因此太阳、地球连线也一直在转动,相应卫星轨道平面也要随之转动。地球围绕太阳公转1年,为使轨道平面保持固定的角度,卫星必须旋转或进动360度,即轨道平面每天旋转0.9856度(360度÷365.25天),且轨道面向东方向转动。
未来5年至10年,太阳同步轨道的较大吨位航天发射任务需求旺盛。
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