新箭新星齊騰空

尹懷勤

4月25日，我國今年首次宇航發(fā)射獲得成功。這是一次新箭新星的雙首飛，也是今年發(fā)射15箭17星1船的計劃的一個精彩開局。

長三甲火箭家族成員

所謂新箭，乃是指此次發(fā)射的長征三號家族的新成員也是最后一位成員——長征三號丙運載火箭。長征三號火箭家族包括長三甲、長三乙、長三丙3種型號。它們均屬于高軌道運載火箭，用來發(fā)射靜止軌道衛(wèi)星和宇宙深空探測器，都是從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心起飛的。

長三甲火箭自1994年2月8日首飛以來，已執(zhí)行過15次發(fā)射任務(wù)。它于1986年3月開始研制，用了不到8年時間即投入使用。這種三級液體火箭，全長52.52米，一、二級直徑3.35米，采用偏二甲肼為燃燒劑、四氧化二氮為氧化劑的常規(guī)推進(jìn)劑；三級直徑3米，采用液氫為燃燒劑、液氧為氧化劑的低溫高能推進(jìn)劑?；鸺痫w質(zhì)量241噸，可將2.6噸重的有效載荷送入地球同步轉(zhuǎn)移軌道。

長三乙火箭1989年7月開始研制，1996年2月15日首飛，迄今已進(jìn)行過9次發(fā)射。它是一種三級半液體運載火箭。半級是指在其一級火箭周圍對稱地捆綁著4個液體助推器?；鸺L54.83米，一、二級直徑3.35米，采用常規(guī)推進(jìn)劑；三級直徑3米，采用低溫高能推進(jìn)劑；助推器直徑2.25米，采用常規(guī)推進(jìn)劑。其起飛質(zhì)量426噸，能把5.5噸重的有效載荷送入地球同步轉(zhuǎn)移軌道。

雖然在研制長三乙過程中就開始了長三丙的研制工作，但是直到1998年才開始集中力量進(jìn)行攻關(guān)，2001年通過評審轉(zhuǎn)入應(yīng)用發(fā)展階段，2005年正式投產(chǎn)。從結(jié)構(gòu)原理上講，長三丙火箭是將長三乙火箭去掉兩個助推器而成的。換句話說，它也是一種三級半液體火箭，只是在第一級周圍僅捆綁著兩個助推器。火箭全長約55米，起飛質(zhì)量約343噸，能把3.8噸重的有效載荷送入地球同步轉(zhuǎn)移軌道。其運載能力介于長三甲和長三乙之間，在已有的兩種火箭中間鋪設(shè)了一個臺階。長三丙火箭的投入使用，使長三甲家族火箭在航天發(fā)射市場上有了更廣闊的適用性。

火箭新丁“長三丙”

原來的長三乙火箭，在第一級周圍全對稱地捆綁著4個助推器，去掉第一、第三兩個助推器之后就成了長三丙火箭。這看起來是件較簡單的事，可實際上卻不盡然。因為此舉帶來了非全對稱構(gòu)型火箭難題，需要進(jìn)行一系列的技術(shù)創(chuàng)新才能解決，這也是長三丙成為長三甲家族成員中老幺的一個重要原因。

結(jié)構(gòu)上的非全對稱性，對火箭在飛行過程中的平衡是一個巨大的考驗，也給火箭的姿態(tài)控制提出了新的課題。這使長三丙的總體設(shè)計狀態(tài)與前兩枚火箭有很大的不同。其氣動設(shè)計、彈道即飛行軌跡設(shè)計、載荷設(shè)計、姿控設(shè)計等都需要進(jìn)行重新匹配與規(guī)劃。

為了確?；鸺w行的可靠性和安全性，科研人員充分考慮火箭在穿越大氣層時遇到的各種惡劣情況，經(jīng)過大量理論分析和試驗，才確定了它的各種氣動特性數(shù)據(jù)。綜合權(quán)衡衛(wèi)星軌道和入軌姿態(tài)要求、地面測控站的布局、殘骸落區(qū)的安全以及風(fēng)速、風(fēng)向等因素，科研人員為長三丙火箭設(shè)計了一條全新的飛行路線。其中火箭助推器及各級殘骸落區(qū)的設(shè)定，都考慮了當(dāng)?shù)厝丝诿芏群铜h(huán)境情況等因素。在姿控設(shè)計中，科研人員把火箭飛行所經(jīng)受的各種內(nèi)、外干擾，包括氣動外形不對稱、質(zhì)心位置偏差、發(fā)動機(jī)推力偏差等影響加以統(tǒng)一考慮，才確定了最后方案。開始設(shè)計長三丙火箭時，在去掉兩個助推器的位置上未加任何裝置。后來的姿控設(shè)計為了提高火箭飛行過程中偏航通道穩(wěn)定裕度，才在兩處分別安裝了相同的尾翼。

箭上控制系統(tǒng)是火箭的大腦。火箭飛行中的一系列動作變化，皆來自控制系統(tǒng)的指令。此前的所有長征系列火箭均為全對稱結(jié)構(gòu)，控制技術(shù)已很成熟，而長三丙火箭的結(jié)構(gòu)特殊，為此，科研人員圍繞火箭在空間飛行的狀態(tài)做了255種仿真試驗，最終提出了新的控制方法，為長三丙火箭量身定做了一套可控的飛行程序。這一技術(shù)成果為我國今后研制結(jié)構(gòu)外形非全對稱的運載火箭控制系統(tǒng)奠定了扎實基礎(chǔ)。

擁有兩個助推器的長三丙火箭，雖說是我國航天運載技術(shù)發(fā)展史上的一個開先河之作，但在國際上并不孤獨。世界上早已出現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)的運載火箭。與同類型的火箭相比，長三丙火箭技術(shù)水平是一流的。用國際上公認(rèn)的一個標(biāo)志火箭綜合性能的參數(shù)——運載系數(shù)，即火箭發(fā)射到預(yù)定軌道的運載能力，它用有效載荷除以起飛質(zhì)量來衡量，長三丙火箭為1.1％，占世界第三位。我國已將長三丙火箭投放國際航天發(fā)射服務(wù)市場，對外承攬發(fā)射業(yè)務(wù)。就該火箭的運載能力而言，適合它發(fā)射的衛(wèi)星仍有一定數(shù)量，其服務(wù)期限預(yù)計不少于20年。

“天鏈一號”——我國首顆數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星

長三丙火箭于4月25日23時35分頭頂著裝在整流罩內(nèi)的“天鏈一號”01星，從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心拔地而起，直飛蒼穹。25分鐘后，西安衛(wèi)星測控中心獲得的數(shù)據(jù)表明，衛(wèi)星準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定的地球同步轉(zhuǎn)移軌道。在此期間，長三丙火箭的助推器和一、二級火箭工作完畢后依次離去，只有第三級火箭經(jīng)過兩次點火，待第二次工作完畢將衛(wèi)星送入預(yù)定軌道后才實現(xiàn)星箭分離。預(yù)定的地球同步轉(zhuǎn)移軌道，是指近地點為數(shù)百千米、遠(yuǎn)地點約為3.6萬千米的大橢圓軌道。

此后，西安衛(wèi)星測控中心組織喀什、廈門、三亞等地面測控站和遠(yuǎn)望三號、五號航天測量船對衛(wèi)星進(jìn)行了持續(xù)跟蹤與控制，完成了星上太陽能電池帆板展開，指令控制星上姿控發(fā)動機(jī)和遠(yuǎn)地點發(fā)動機(jī)點火與關(guān)機(jī)，使衛(wèi)星進(jìn)行了4次飛行變軌，按要求從地球同步轉(zhuǎn)移軌道準(zhǔn)確進(jìn)入地球靜止軌道，并建立預(yù)定飄移速度，在控制衛(wèi)星實施多批次位置保持后，衛(wèi)星于5月1日16時25分成功定點在預(yù)定的東經(jīng)77度赤道上空，進(jìn)入工作位置。

這里說的地球靜止軌道，亦稱赤道同步軌道。它是一條位于地球赤道上空35786千米高的圓形軌道。當(dāng)衛(wèi)星在這條軌道上以每秒3.07千米的速度自西向東運行1周時，恰好是23小時56分4秒，正與地球自西向東自傳1周的時間相同，兩者位置保持相對靜止，從地面上看，衛(wèi)星猶如固定在赤道上空某一點不動一樣?！疤戽溡惶枴?1星就是以這種速度運行在靜止軌道上的一顆衛(wèi)星，特像掛在東經(jīng)77度赤道上空近3.6萬千米高的一座中繼塔。

“天鏈一號”01星是我國首顆數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星。它由中國空間技術(shù)研究院為主研制，采用成熟的東方紅三號通用平臺并突破多項關(guān)鍵技術(shù)而成。該星于2003年獲準(zhǔn)立項，從總體設(shè)計、技術(shù)攻關(guān)到完成研制用了5年時間。它的成功定點，填補(bǔ)了我國衛(wèi)星領(lǐng)域的又一空白，故而稱為新星。選用長三丙火箭發(fā)射“天鏈一號”01星，人們即可想到衛(wèi)星重量近于3.8噸。

中繼衛(wèi)星既能轉(zhuǎn)發(fā)地面測控站和海洋航天測星船對中、低軌道航天器的跟蹤、遙控信息，又能轉(zhuǎn)發(fā)航天器發(fā)回地面的數(shù)據(jù)，故而可為飛船、衛(wèi)星等航天器提供測控和數(shù)據(jù)中繼服務(wù)，它相當(dāng)于把地面上的測控站升高到了地球靜止軌道的高度，一顆衛(wèi)星就能觀測到大部分在近地空域內(nèi)飛行的航天器，大大擴(kuò)大了測控指令和數(shù)據(jù)資料傳輸?shù)目臻g?！疤戽溡惶枴?1星成功定點標(biāo)志著我國航天測控覆蓋率將大幅提升，我國航天器太空數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站正式建成。

已經(jīng)定點的“天鏈一號”01星，主要用于為我國神舟載人飛船及后續(xù)載人航天器提供測控和數(shù)據(jù)中繼服務(wù)，將使測控覆蓋率由原來的12％提高到60％左右，同時能在相應(yīng)范圍內(nèi)實時轉(zhuǎn)發(fā)航天器發(fā)回地面的數(shù)據(jù)。它還為我國發(fā)射其他航天器提供測控支持，為其中的中、低軌道衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)遙感遙測數(shù)據(jù)，能使資源衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星的數(shù)據(jù)在較大空間內(nèi)實時下傳，極大提高各類衛(wèi)星使用效益。顯而易見，這將為我國應(yīng)對重大自然災(zāi)害贏得更多預(yù)警時間。隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，中繼衛(wèi)星將會得到更廣泛的應(yīng)用。

責(zé)任編輯龐云