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在靠重量取胜的航天家族,迷你火箭是怎样的存在?(图)

新闻来源: 了不起的中国制造 于2019-12-26 19:19:12  提示:新闻观点不代表本网立场

  作者| 李会超,哈尔滨工业大学(深圳)博士后

  俗话说,好钢要用在刀刃上。

  像天宫二号、神舟系列飞船这样的大型航天器,动不动就有8、9吨重,中国第一艘货运飞船天舟一号更是接近13吨,要把这些庞然大物发射升空,自然要用大火箭。

  但是,航天器中还有一个数量更为庞大的群体,它们的重量最小的只有10公斤左右,最大的也不超过1吨,送这些“小个头”上天,如果同样使用大火箭的话,未免大材小用。

  怎么办呢?在中国,我们有性能强悍的小火箭。

  (一)在运载火箭家族里,往往以“重量”取胜

  运载火箭是将航天器从地面发射到太空中的工具,衡量其性能的核心指标就是能够运载的最大有效载荷质量,几个主要的航天大国都在努力发展自己的大载荷火箭,中国也不例外。

  依据目前国际一流运载火箭的发展水平,近地轨道运载能力在50吨以上的是重型火箭,近地轨道运载能力在15至50吨左右的属于大型火箭,运载能力在2至15吨之间的称为中型火箭,在2吨以下的叫小型火箭。现阶段世界主流的运载火箭的运力多在25吨左右,它们承担了各国绝大部分的航天发射任务,长征五号就属于这一类。

  

  (中国长征系列运载火箭家族)


  由于世界各航天大国目前都热衷发展载人飞船和空间站以及深空探测器,因此对于运载火箭来说,当然是载重越大越好,火箭运力大意味着它可以搭载更大的航天器、可以装更多的燃料从而有更大的动力。

  然而,在中国的新一代火箭家族中,有一些火箭的运载能力比上一代火箭反倒低了不少,它们能够向近地轨道发射的最大载荷质量都不超过一吨,这样的运载能力,也就比这些火箭的“爷爷”、上世纪七十年代服役的长征一号稍微强一点点。

  这些小火箭的出现,是航天部门在开倒车吗?

  (二)中国为何要发展小火箭?


  在小型火箭出现之前,中国现役火箭最低的近地轨道运载能力为三吨。这显然对于近些年蓬勃发展的微小卫星并不适用。

  航天界一般把重量在500kg以下的卫星称为微小卫星。近年来,随着星上信息管理能力、电池性能、导航姿态控制性能等方面的提升,微小卫星的任务能力从最早的简单演示性任务向着高复杂性、长期在轨的运营性任务迈进。微小卫星研制的成本低、周期短,能够根据客户的具体需求灵活的定制卫星功能,因此具有很好的商业价值,受到国内外许多商业航天企业的亲睐。

  据预测,到2023年,全世界每年发射的小卫星数量可达320颗,中国近几年的微小卫星也呈现遍地开花的形势:吉林一号的微小卫星未来将与众多卫星组成实时监控全球的遥感卫星网;一些高校研发的微小卫星,让中学生们也拥有了自己的卫星……

  

  (吉林一号小卫星拍摄的美国卫星图)


  由于微小卫星重量小、成本低,动用运载能力动辄数吨的火箭为其发射不但浪费运载能力,而且发射费用可能会远远超过卫星本身的造价。因此,微小卫星以往常要和大卫星“搭便车”发射。

  但在这种模式中,“便车”只能把微小卫星送到大卫星的轨道附近,这里可能并不是微小卫星的最佳工作轨道。同时,卫星之间的结构协调和电磁兼容也是需要解决的问题,这就制约了搭载发射的选择范围。此外,传统大中型火箭的发射准备时间较长,微小卫星即便幸运地找到了搭车对象,也要等待一段时间才能上天。

  (三)小火箭的独门秘籍

  为了解决微小卫星的发射需求,长征六号、长征十一号和快舟一号运载火箭应运而生,它们是为微小卫星量身定做的灵活、快捷、经济的发射工具。

  1、最高纪录一箭20星,发射再也不用“搭便车”

  其中,长征六号为液体火箭,可以向700公里太阳同步轨道(SSO)发射最高780-1100kg的载荷,运行在这个轨道的卫星通常用来执行对地遥感任务,也就是我们通常说的“拍摄卫星照片”。

  长征十一号为固体火箭,向700公里SSO轨道的最大发射能力为350-400kg,向用途更加广泛的近地轨道(LEO)的最大发射能力为700kg。

  快舟一号也是固体火箭,向700公里SSO轨道的最大发射能力为200kg,向LEO轨道的发射能力为300kg。

  从以上这些数据我们可以看出,三种火箭为1吨以下的发射需求提供了不同运载能力范围的选择。

  同时,这三种火箭都具有一箭多星的发射能力,可以一次将多颗重量体积较小的微小卫星发射升空,便于它们组网运行,将每颗星的发射成本降到最低。据新华网消息,长征六号曾创造出一箭20星的发射纪录。

  

  (长征六号发射升空)


  2、从2-3个月缩短到一周,把发射准备时间缩短到极限


  如果说“小”是小型火箭的天生优势,那么“快”则是这三种小型火箭的独门绝技了。

  传统的大中型火箭,在运抵发射场后要进行复杂的总装、测试操作,无论是长二、长三在发射架上总装测试的模式,还是长二F、长五、长七在厂房中总装测试后再转运到发射架的模式,耗费的时间都比较长。

  对于研发周期较长的大型的航天器来说,较长的准备时间不是问题,但对于灵活的微小卫星来说,在商业运作中可能需要根据客户需求,随时拿出货架产品进行发射。

  为了实现“快”的发射要求,长征六号采用了“水平总装、水平测试、水平转运”的”三平“发射模式。火箭在“躺倒”的姿态下完成各子级间及火箭与卫星的连接,不需要复杂的高空起吊操作。整发火箭安装在为长征六号专门研发的自行式整体运输起竖车上进行。

  

  这种车集火箭运输、起竖、发射脐带塔功能于一体,火箭总装完毕后直接由该车运抵发射阵地,完成起竖、加注燃料到发射的所有流程,省去了大型火箭与发射塔连接的准备时间。

  发射车还可以实现自动导航无人驾驶和精确定位,三向定位精度误差不超过5毫米。同时,由于不需要固定的发射塔,在少量测控通信车辆的辅助下,发射车可以灵活地选择发射地点,避免发射地附近人口密集对发射方向的限制。

  在这些新模式、新技术的应用下,长征六号的发射准备时间由传统火箭的2-3个月缩短到一周左右。

  

  (在发射车上进行转运的长征六号)


  长征六号已经把液体火箭的准备时间缩短到极限,而使用固体燃料的长征十一号和快舟一号,则可以说是发射速度的登峰造极之作了。

  这两种火箭同样使用”三平“发射模式,从接到发射指令到火箭腾空而起,中间间隔的时间可以缩短到24小时以下。

  固体推进剂具有长期贮存能力,因此固体火箭在发射时无需像液体火箭那样现场加注燃料,发射更快捷。这也是目前战略弹道导弹多采用固体发动机的原因。在突发地震等大规模自然灾害或军事冲突爆发时,固体火箭的快速反应能力可以及时大量发射轨道覆盖热点地区的微小卫星,实现卫星快速组网和补网,使决策者和有关部门获得一双双“天眼”。

  

  (长征十一火箭发射效果图)

  3、配备天基测控能力,飞行路径和发射地点不再受限

  在神舟飞船的发射过程中,随着火箭向东飞行,直播中会出现“渭南跟踪正常“、”太原跟踪正常“等报告,这是遍布中国国土各地的测控站在实时跟踪火箭飞行,实施必要的测控操作。这些地面测控站的分布限制了火箭飞行路径和发射地点的选择。

  为了让微小卫星的发射更加灵活,这三种小型火箭还配备了天基测控能力。

  火箭起飞后,以往由地面测控站完成的任务将由高悬于地球同步轨道的“天链”中继卫星完成。火箭通过天基测控天线将数据传导天链卫星上,再由天链卫星转发回地面。得益于四颗在轨运行的天链中继卫星,中国是除美国外唯一一个拥有具备全球覆盖能力的天基信息传输系统的国家。火箭从中国国土的任意一点起飞、朝着任意方向飞行时,都能够处在天基测控网的有效覆盖中。

  

  (快舟一号火箭发射升空)


  4、发射成本极低,提供上天“白菜价”

  和执行各种国家航天任务的大中型火箭不同,小型火箭所要面对是竞争激烈的微小卫星商业发射市场,如果不能提供有吸引力的发射价格,即便火箭性能优越,也很难在商业发射市场中占据一席之地。因此,中小型运载火箭在研制和生产过程中,都十分注重成本的控制。

  目前,在国际商业发射中,小型运载发射报价一般为每千克2-5万美元。而长征十一、快舟一号运载火箭目前的发射报价都在每千克3万美元以下,与国际主流水平相当。近几年内,这两种火箭的发射报价将降低到每千克1万美元以下。而快舟一号的升级版——快舟十一号,甚至能给出每公斤几千美元的上天”白菜价“。

  为了降低成本,设计人员们首先在火箭本身的设计上下功夫,简化系统、优化元器件,榨干火箭的每一处设计余量。

  长征十一号两次成功发射后,设计人员根据实测数据,在保证火箭发射成功率不受影响的前提下取消了一些部件,使火箭的运载能力提高了50公斤。

  为了让火箭本身的结构更轻,将发动机提供的推力更多的用来推动有效载荷,快舟一号团队应用新技术和材料,将安全机构的尺寸和重量缩小到了现有产品的五分之一,火箭整体起飞质量降低约20吨。

  结语

  未来,长征六号、长征十一号、快舟一号等小型运载火箭,将与长五、长七等大中型运载火箭,构成中国运载火箭发射服务的完整“产品线”,为商业航天产业的壮大和航天服务社会生活,作出自己不可替代的贡献。
网编:睿文

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