天鏈二號(hào)03星升空“中繼衛(wèi)星天團(tuán)”陣容升級(jí)
2022-09-17 03:52:08鄧雨楠顧航瑜
太空探索 2022年9期
文/鄧雨楠 顧航瑜
7月13日，在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭將天鏈二號(hào)03星送入太空。衛(wèi)星隨后準(zhǔn)確進(jìn)入地球同步轉(zhuǎn)移軌道，這標(biāo)志著我國(guó)第二代地球同步軌道數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星成功組網(wǎng)運(yùn)行，可具備滿(mǎn)足中低軌道航天器全球覆蓋的能力，并提供24小時(shí)無(wú)間斷通信。
隨著天鏈二號(hào)03星的成功發(fā)射，我國(guó)中繼衛(wèi)星數(shù)量增加至8顆，“中繼衛(wèi)星天團(tuán)”陣容再次升級(jí)。
▲ 長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭發(fā)射天鏈二號(hào)03星。白肖飛 攝
“太空傳話(huà)烽火臺(tái)”又上新
自2008年4月天鏈一號(hào)01星成功發(fā)射，到2022年天鏈二號(hào)03星成功發(fā)射，我國(guó)天鏈中繼衛(wèi)星系統(tǒng)已經(jīng)形成了兩代中繼衛(wèi)星相互兼容、在軌協(xié)同組網(wǎng)工作的局面。
2008～2012年，我國(guó)先后發(fā)射天鏈一號(hào)01～03星，3顆衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)運(yùn)行，標(biāo)志著我國(guó)第一代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)建成，開(kāi)創(chuàng)了我國(guó)天基測(cè)控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男录o(jì)元。隨后，天鏈一號(hào)04星、05星陸續(xù)成功入軌并完成在軌測(cè)試，與天鏈一號(hào)01～03星實(shí)現(xiàn)全球組網(wǎng)運(yùn)行。
中繼衛(wèi)星主要是服務(wù)于航天器的衛(wèi)星，通俗地講，就像是“衛(wèi)星的衛(wèi)星”。中繼衛(wèi)星被放置在距離地球3.6萬(wàn)千米的同步軌道高度，它可以“居高臨下”觀(guān)測(cè)在中低軌道運(yùn)行的航天器，為其提供天基測(cè)控服務(wù)，或?qū)@得的數(shù)據(jù)回傳至地面站。
“這個(gè)軌道高度的衛(wèi)星環(huán)繞地球一圈時(shí)間與地球自轉(zhuǎn)一圈時(shí)間恰好一樣，因而相對(duì)我們靜止。這樣就相當(dāng)于在太空中擁有一座座‘傳話(huà)的烽火臺(tái)’，這些烽火臺(tái)之間也可以彼此通信，只需3顆就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地球所有點(diǎn)全覆蓋?！碧戽湺?hào)03星總指揮張鵬介紹。
“與第一代中繼衛(wèi)星相比，第二代中繼衛(wèi)星是一次躍遷式的升級(jí)?！碧戽湺?hào)03星副總師李向陽(yáng)介紹，天鏈二號(hào)03星與02星是“孿生兄弟”，技術(shù)狀態(tài)高度一致，在充分繼承天鏈二號(hào)01星研制過(guò)程中積累的成熟技術(shù)和研制經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，進(jìn)行了多項(xiàng)技術(shù)升級(jí)和優(yōu)化。
▲ 天鏈一號(hào)中繼衛(wèi)星服務(wù)神舟飛船
首先是擴(kuò)大服務(wù)目標(biāo)用戶(hù)數(shù)量。相比于“天鏈”一代衛(wèi)星，“天鏈”二代衛(wèi)星可以同時(shí)為多出幾倍的用戶(hù)提供服務(wù)，且覆蓋范圍更廣泛，可以實(shí)現(xiàn)為200千米至2萬(wàn)千米軌道高度以?xún)?nèi)的用戶(hù)航天器服務(wù)。同時(shí)，中繼衛(wèi)星對(duì)在軌用戶(hù)的實(shí)時(shí)管控能力和接入能力也得到極大的提升。
其次是提高衛(wèi)星在軌機(jī)動(dòng)能力。為應(yīng)對(duì)衛(wèi)星多軌位變化需求，天鏈二號(hào)02星和03星由適用于單區(qū)單軌位工作，改進(jìn)為可適用于多區(qū)多軌位工作的設(shè)計(jì)，即可以適用于軌道上現(xiàn)有的全部軌位，這大大提高了衛(wèi)星在軌道上的機(jī)動(dòng)能力。
“單星機(jī)動(dòng)能力的提高會(huì)極大地提升整個(gè)天鏈中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的健壯性和靈活性?！碧戽湺?hào)03星主任設(shè)計(jì)師高令飛說(shuō)，良好的軌道機(jī)動(dòng)能力，可以使衛(wèi)星在執(zhí)行任務(wù)時(shí)具有更大的彈性，可根據(jù)需要多次進(jìn)行軌道調(diào)整。
▲ 天鏈二號(hào)中繼衛(wèi)星環(huán)繞地球示意圖
此外衛(wèi)星平臺(tái)的適應(yīng)性和兼容性也有所增強(qiáng)。天鏈二號(hào)02星和03星啟動(dòng)研制時(shí)，核心單機(jī)都已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，且產(chǎn)品性能穩(wěn)定。同時(shí)，衛(wèi)星研制團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)衛(wèi)星架構(gòu)設(shè)計(jì)以及硬件與軟件的通用化、模塊化設(shè)計(jì)等手段，使得衛(wèi)星平臺(tái)的硬件設(shè)備與主要軟件系統(tǒng)功能完備、適應(yīng)性兼容性強(qiáng)，達(dá)到去任務(wù)化的目的。
飛船位置捕獲能力更強(qiáng)
對(duì)于中繼衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，最主要的任務(wù)是為載人飛船和載人空間站提供天基遙測(cè)和數(shù)據(jù)中繼服務(wù)，例如天地通話(huà)、太空授課、交會(huì)對(duì)接、出艙活動(dòng)等重要任務(wù)就是以天鏈中繼衛(wèi)星為主來(lái)保證各航天器的測(cè)控和天地雙向數(shù)據(jù)圖像傳輸。
隨著技術(shù)的發(fā)展，中繼衛(wèi)星在使用中逐漸拓展了需求。如今，中繼系列衛(wèi)星還可為中低軌具有實(shí)時(shí)大數(shù)據(jù)回傳需求的航天器提供服務(wù)。
“之前，衛(wèi)星發(fā)射過(guò)程中，我們都會(huì)派出遠(yuǎn)望測(cè)量船，配合海外陸基測(cè)控站，執(zhí)行海基中繼傳輸任務(wù)，出航成本高，測(cè)控弧段有限?！碧戽湺?hào)03星副總指揮詹克強(qiáng)透露，有了中繼衛(wèi)星，就可以搭載天鏈衛(wèi)星的中繼終端，在中低軌道運(yùn)行的過(guò)程中，直接通過(guò)天鏈衛(wèi)星提供測(cè)控與數(shù)傳。
當(dāng)下，3.6萬(wàn)千米外的太空又多了一顆中繼衛(wèi)星，當(dāng)它加入天鏈中繼衛(wèi)星系統(tǒng)大家庭后，會(huì)發(fā)揮出遠(yuǎn)超過(guò)單星力量的作用。
未來(lái)它的應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)越來(lái)越多，對(duì)提高載人航天器、中低軌航天器信息回傳時(shí)效性、在軌運(yùn)行安全性和任務(wù)實(shí)施靈活性都會(huì)發(fā)揮重要作用。
當(dāng)然，天鏈二號(hào)03星想要滿(mǎn)足用戶(hù)更多任務(wù)需求，其研發(fā)過(guò)程也必然要克服更多的技術(shù)難題。
天鏈二號(hào)03星是采用東方紅四號(hào)平臺(tái)研制的。整星的有效載荷分為天線(xiàn)、轉(zhuǎn)發(fā)器以及捕跟分系統(tǒng)，最關(guān)鍵的就是負(fù)責(zé)捕獲跟蹤的天線(xiàn)。
“這兩副天線(xiàn)提供了衛(wèi)星大范圍、高精度捕獲跟蹤目標(biāo)用戶(hù)和為用戶(hù)提供高速數(shù)傳的功能。該天線(xiàn)的性能至今仍處于國(guó)際領(lǐng)先水平?！睆堸i說(shuō)，能做到的國(guó)家少，就是因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)難。
在天線(xiàn)結(jié)構(gòu)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，研制團(tuán)隊(duì)嚴(yán)格篩選參數(shù)較為均衡一致的零件，組裝成產(chǎn)品，成品后還要在真空環(huán)境下進(jìn)行高低溫循環(huán)考核，對(duì)天線(xiàn)在最?lèi)毫迎h(huán)境下的指標(biāo)狀況加以驗(yàn)證。
▲ 中繼衛(wèi)星“接力”工作示意圖
作為一款中繼衛(wèi)星，如果想要保持衛(wèi)星與飛船間的通信鏈路，就要使用高精度捕獲飛船位置的技術(shù)。這些技術(shù)難題都決定了天鏈二號(hào)03星要比一般衛(wèi)星研制周期更長(zhǎng)。
“像大角度轉(zhuǎn)動(dòng)的試驗(yàn)驗(yàn)證，要在真空環(huán)境下，進(jìn)行數(shù)以萬(wàn)計(jì)的試驗(yàn)，才能保證其使用壽命滿(mǎn)足指標(biāo)要求，如此試驗(yàn)對(duì)我們而言既是常態(tài)更是標(biāo)準(zhǔn)?！备吡铒w說(shuō)。
“金牌勞?！膘顫裆详?/h2>
值得一提的是，這次發(fā)射任務(wù)并非一帆風(fēng)順，被譽(yù)為“金牌火箭”的長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭面臨不利條件?？蒲腥藛T努力克服困難，確保成功發(fā)射，其中很多細(xì)節(jié)值得品味。
發(fā)射前，火箭要陸續(xù)完成總裝、測(cè)試等各項(xiàng)準(zhǔn)備工作。根據(jù)氣象系統(tǒng)預(yù)報(bào)，6月26～27日將會(huì)迎來(lái)一輪降雨，而火箭轉(zhuǎn)場(chǎng)任務(wù)原定日期正是6月27日。這意味著計(jì)劃要臨時(shí)調(diào)整。
6月25日上午，載著火箭的轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)提前2天從技術(shù)測(cè)試區(qū)駛出。其實(shí)，火箭在“乘車(chē)”出發(fā)時(shí)并不是整機(jī)，而是分級(jí)放置的，不同子級(jí)的箭體要分別運(yùn)輸，待運(yùn)輸至發(fā)射區(qū)后，再像搭積木一樣完成火箭“站立”準(zhǔn)備工作。整個(gè)過(guò)程并不輕松，一般需要2天才能完成。
▲ 火箭部件艙段轉(zhuǎn)場(chǎng)
考慮到火箭在轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸?shù)臅r(shí)候會(huì)暴露在自然環(huán)境中，如果遇到超量的降雨，就會(huì)對(duì)火箭的電氣系統(tǒng)、電子元器件等造成影響。試驗(yàn)隊(duì)改變?cè)杏?jì)劃，將暴露在外的大部段箭體先行運(yùn)輸，再進(jìn)行箭體內(nèi)部的機(jī)構(gòu)安裝。最終火箭順利完成組裝合體工作，平穩(wěn)“站立”，發(fā)射開(kāi)始進(jìn)入倒計(jì)時(shí)。
在火箭進(jìn)行第二次總檢查的前一天，西昌突然下起了大雨。要知道，火箭最怕受潮，遭受大雨肆虐后，濕度迅速上升?？蒲腥藛T爬上塔架，花了近2個(gè)小時(shí)，查找受潮產(chǎn)品和部位，并往箭體里注入干燥空氣，將濕度控制在30%至60%之間，確保了火箭第二次總檢查順利進(jìn)行。
火箭轉(zhuǎn)到發(fā)射區(qū)之后，輪番演練接踵而至，比如火箭發(fā)射之前要進(jìn)行激光慣組瞄準(zhǔn)測(cè)試。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，如果把火箭發(fā)射比作狙擊手瞄準(zhǔn)射擊，火箭好比子彈，航天器可以看作彈頭，發(fā)射塔架就是狙擊步槍?zhuān)鸺褂玫拿闇?zhǔn)儀就是狙擊步槍的瞄準(zhǔn)鏡。不過(guò)，與狙擊手射擊不同的是，火箭瞄準(zhǔn)的是航天器的入軌點(diǎn)，遠(yuǎn)比狙擊手瞄準(zhǔn)要復(fù)雜得多，被形象地形容為“萬(wàn)人一桿槍的事業(yè)”。
火箭發(fā)射之后要想精確入軌，離不開(kāi)瞄準(zhǔn)這一環(huán)節(jié)。只有保證各項(xiàng)工作、產(chǎn)品狀態(tài)以及參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果的正確，才能確?；鸺闇?zhǔn)精度誤差控制在分秒級(jí)以?xún)?nèi)。
由于疫情影響，現(xiàn)場(chǎng)人手緊張?？蒲腥藛T在塔架反復(fù)爬上跑下，確認(rèn)火箭狀態(tài)正常，部件安裝合格，通過(guò)前后方反復(fù)核對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)，最終迎來(lái)發(fā)射成功。
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