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據(jù)國家航天局消息，2月27日11時06分，長征八號遙二運載火箭飛行試驗，在中國文昌航天發(fā)射場順利實施，火箭飛行正常，試驗取得圓滿成功，創(chuàng)造了我國一箭多星發(fā)射的最高紀錄。
本次發(fā)射是長征火箭第409次發(fā)射。
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2022-2-28 09:11 上傳
屠海超 攝
長征八號是我國自主研制的中型運載火箭，長八遙二為長八運載火箭無助推器狀態(tài)，為適應一箭多星任務，更換整流罩，本次發(fā)射是該構型首次飛行試驗。火箭采用無毒無污染推進劑，全箭長約48米，芯一級直徑3.35米，芯二級直徑3.0米，起飛重量約198噸，起飛推力約240噸，可實現(xiàn)太陽同步軌道3噸運載能力。
本次飛行試驗搭載了海南一號01和02星、大運號（星時代-17）衛(wèi)星、文昌一號01和02星、泰景三號01星等22顆商業(yè)衛(wèi)星，主要用于對地觀測、低軌物聯(lián)網(wǎng)通訊、空間科學試驗，可提供資源調(diào)查、合成孔徑雷達數(shù)據(jù)支持、物聯(lián)網(wǎng)分散終端數(shù)據(jù)采集、在軌科學試驗和技術驗證、海南及環(huán)省海域船只信息收集處理等服務。
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2022-2-28 09:11 上傳
屠海超 攝
如何能在有限的整流罩空間里，讓22顆衛(wèi)星“坐”得舒服，又能安全、準確“下車”？記者從一院了解到，長八火箭設計團隊采用了全新的“三層式多星分配器”結構，并對衛(wèi)星分離安全性進行充分設計。
給22名“乘客”提供三層“座椅”
據(jù)一院長八火箭副主任設計師陳曉飛介紹，此次發(fā)射的22顆衛(wèi)星形狀各異，其中多個衛(wèi)星尺寸較大，因此在布局時，首先考慮如何有效利用整流罩內(nèi)空間包絡。
結合任務需求，設計團隊對傳統(tǒng)衛(wèi)星結構進行梳理，最后設計出新的“三層式多星分配器”，為“乘客”提供三層“座椅”�！叭龑邮蕉嘈欠峙淦鳌睆南碌缴戏謩e由錐形支架、中心承力筒和圓盤平臺組成。其中，錐形支架搭載2顆衛(wèi)星，中心承力筒搭載14顆衛(wèi)星，圓盤平臺搭載6顆衛(wèi)星，完美將22顆衛(wèi)星裝進整流罩中。
“在分配器結構設計上，我們采取‘模塊化’設計，將現(xiàn)有的、成熟的結構拼接在一起形成新的結構形式，達到‘1+1>2’的效果，同時節(jié)省了設計時間，提高研制效率，能快速滿足衛(wèi)星方發(fā)射的需求�！币辉洪L八火箭總體副主任設計師于龍介紹，多星分配器最下層的錐形支架，設計團隊沿用的是長八遙一運載火箭的結構；中心承力筒也是成熟的結構，能夠盡可能利用整流罩的空間，在側壁多掛衛(wèi)星。對一些直徑較大、不適合側掛的衛(wèi)星，設計團隊則在中心承力筒上方新設計了一個圓盤平臺，讓大直徑衛(wèi)星安裝操作更簡潔，分離方向上也沒有其他衛(wèi)星去干涉。于龍表示，“一般來說，一個新的結構從出圖到生產(chǎn)，需要至少一年多時間。我們通過‘模塊化’設計，在半年不到的時間就生產(chǎn)出來了多星分配器�！�
在整流罩有限的空間內(nèi)，衛(wèi)星數(shù)量越多，星和星的間隙肯定就越小，在對接操作時的難度也就越大。在設計之初，設計團隊就對現(xiàn)場工裝設備、人員操作位置等進行考慮，將衛(wèi)星安裝操作可達性納入分配器結構設計中。
為了方便安裝操作，設計團隊專門在圓盤平臺中間開了個孔，方便操作人員進入，并通過星箭聯(lián)合操作試驗，不斷調(diào)整衛(wèi)星安裝操作的順序及布局的位置，確保操作人員真正上箭操作的安全性。
分批次“下車”更安全
這22顆衛(wèi)星，分離時會不會碰撞？進入預定軌道飛行時會不會碰撞？要讓這些“乘客”能夠安全準確“下車”，設計團隊需要考慮的問題也不少。
首先要考慮的是衛(wèi)星近場分離的安全性。于龍介紹，衛(wèi)星到天上后要離開箭體，在這個過程中，衛(wèi)星的動力源和解鎖方式會有一些偏差，不是想象中的靜態(tài)安裝位置在哪里，分離過程中就一定在這個范圍內(nèi)不晃蕩。某些時候這些小偏差會使得衛(wèi)星與衛(wèi)星之間距離縮小，威脅到箭體的安全。
根據(jù)衛(wèi)星不同的分離機構，設計團隊結合實際衛(wèi)星布局位置，對所有的箭體和衛(wèi)星偏差進行多輪仿真計算，讓各衛(wèi)星之間保留一定近場分離過程中的動態(tài)間隙，保證近場分離安全性。
“衛(wèi)星數(shù)量越多，分離出去后在軌道飛行碰撞的風險就越大，遠場分離安全性也是設計人員需要考慮的重點�！币辉洪L八火箭軌道設計師李靜琳介紹，分離速度、分離方向、分離順序是影響衛(wèi)星后續(xù)運動軌跡的關鍵因素。在這次衛(wèi)星數(shù)量如此之多的情況下，要在有限的外界分離軌道將22顆衛(wèi)星錯開，避免兩兩衛(wèi)星之間干涉，對設計人員來說有不小的挑戰(zhàn)。
22顆衛(wèi)星加上一個火箭末級就是23個分離體，為了保證彼此之間分離的安全性，設計團隊計算分析每一顆衛(wèi)星運行的軌道參數(shù)，對23個分離體兩兩之間的相對距離進行長周期的仿真、觀察和考核，并根據(jù)衛(wèi)星布局，設計分離方案，最終采取了12次分離動作，依次將22顆衛(wèi)星逐步分離出去，并通過不斷調(diào)整末級箭體的姿態(tài)，實現(xiàn)不同衛(wèi)星的分離方向調(diào)整，確保各個衛(wèi)星近遠場安全。
在分離動作設計過程，要對23個分離體兩兩之間的相對距離進行分析，計算量非常大。同時，在火箭調(diào)姿過程中，為了滿足天基可見的要求，要保證箭體調(diào)姿角度不能過大，對設計也增加了難度。李靜琳介紹，這是一個相當于多個對象、多種約束、長周期的、需要通過多輪迭代解決的一個優(yōu)化問題，遠場分離計算量比以往翻了好幾倍。
面對巨大的計算量，設計團隊專門研制了一個“多星遠場分析工具”�！巴ㄟ^采用這個分析工具之后，我們通過一次仿真，就可以自動完成23個分離體各自的速度位置計算，以及兩兩之間相對位置的計算，不僅大幅提高了計算效率，而且提高了遠場分析的準確性�！崩铎o琳說。
虛實結合模態(tài)試驗技術助力首飛
本次任務是長征八號火箭不帶助推器的新構型首飛。
長征八號在充分繼承長征系列運載火箭設計經(jīng)驗的基礎上，沒有開展全箭模態(tài)試驗，是我國首個在研制中基于模塊化模態(tài)試驗結果，同時結合虛擬試驗給出全箭模態(tài)參數(shù)的中大型火箭。從長征八號遙一火箭首飛，到此次新構型遙二火箭首飛的圓滿成功，虛實結合模態(tài)試驗技術均發(fā)揮了重要作用。
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2022-2-28 09:11 上傳
中國航天科技集團一院供圖。宋濤攝
記者從一院了解到，長征八號采用“模塊化、系列化、組合化”的設計思路，一級和助推沿用了長征七號一級和助推結構，二級沿用了長征三號乙三級結構。為了實現(xiàn)火箭快速集成研制，試驗人員在充分利用長七一級/二級飛行/靶場豎立、長七甲一級/二級/三級飛行/靶場豎立、長三乙三級飛行共30余個狀態(tài)模態(tài)試驗結果的基礎上，通過虛實結合——已有試驗和仿真分析相結合，在不開展全箭模態(tài)試驗的條件下，獲取了全箭模態(tài)參數(shù)。
一院702所副總設計師朱曦全介紹，在研制過程中，為了獲取長征八號的模態(tài)參數(shù)，為其姿態(tài)和導航控制提供重要的設計依據(jù)，試驗團隊按照三維動力學建模建立了全箭模型，通過長七（長七甲）一級/二級模態(tài)試驗結果修正得到了芯一級加助推的模型，參照長三乙模態(tài)結果得到了二級的模型，并首次建立了發(fā)射平臺模型。在制定實施靶場豎立狀態(tài)模態(tài)試驗中，采用新方法完成了我國首次在該狀態(tài)下的模態(tài)激振和振型斜率采集，進而修正確認了有限元仿真模型的正確性，這也是模態(tài)綜合技術在我國運載火箭研制中的首次應用。
朱曦全表示，經(jīng)過驗證，在充分的部段試驗及組合狀態(tài)試驗的基礎上，模態(tài)綜合技術的結果是合理可信的，可以應用于型號首飛及后續(xù)發(fā)射，這種方法還可為未來重型運載火箭的研制提供借鑒。
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