22顆衛星如何順利“上車”

　　長八遙二火箭創我國一箭多星最高紀錄

　　□ 本報記者 　廉穎婷

　　□ 本報通訊員 桑 茜 王 冰

　　2月27日11時06分，由中國航天科技集團有限公司所屬中國運載火箭技術研究院(以下簡稱“火箭院”)研制的長征八號遙二運載火箭(以下簡稱“長八遙二火箭”)，在海南文昌航天發射場點火起飛，隨后將托舉的22顆衛星分別順利送入預定軌道，創造了我國一箭多星發射的最高紀錄。

　　此次長八遙二火箭發射，是新一代運載火箭在今年的首次飛行，也是型號不帶助推器的新構型首飛。

　　一年時間完成火箭總裝總測

　　2020年12月，成功首飛的長征八號火箭是我國新一代主力中型運載火箭，填補了我國太陽同步軌道運載能力3噸至4.5噸的能力空白，可以承擔80%以上的中低軌發射任務。

　　“與長征八號遙一運載火箭(以下簡稱“長八遙一火箭”)相比，長八遙二火箭在外形上最大的區別，就是取消了兩個助推器，從兩級半構型變成兩級串聯構型。自成功首飛到長八遙二火箭完成總裝總測、具備出廠條件，研制團隊僅用了1年時間，這歸功于火箭所采用的‘模塊化’‘組合化’設計思路。”火箭院長征八號火箭副主任設計師陳曉飛說。

　　早在研制伊始，設計人員就充分兼顧了火箭不帶助推器的狀態，并納入長八遙一火箭的考核包絡中。因此，長八遙二火箭無需進行大規模更改，只需針對載荷、飛行軌道進行適應性調整，就能高效地滿足任務要求。

　　值得一提的是，長八遙二火箭的整流罩高度從8米縮短到5.4米，使得全箭關鍵部位受載降低。這樣一來，火箭發射的放行條件可以適當放寬，有利于提高任務的發射概率，從而進一步提升火箭的任務適應性。

　　22顆衛星完美裝進整流罩

　　長八遙二火箭整流罩直徑為4.2米，在有限的空間內，要實現一箭發射22顆衛星，第一步是要把這些衛星合理布局在整流罩里。

　　設計團隊對傳統衛星結構進行梳理，最后設計出新的“三層式多星分配器”，為22名“乘客”提供三層“座椅”。“三層式多星分配器”從下到上分別由錐形支架、中心承力筒和圓盤平臺組成。其中，錐形支架搭載2顆衛星，中心承力筒搭載14顆衛星，圓盤平臺搭載6顆衛星，完美將22顆衛星裝進整流罩中，并且能夠保證衛星不同方向的分離安全。

　　據火箭院長征八號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，在側壁多掛衛星。對于一些直徑較大、不適合側掛的衛星，設計團隊則在中心承力筒上方新設計了一個圓盤平臺，讓大直徑衛星安裝操作更簡潔，分離方向上也沒有其他衛星干涉。

　　“在分配器結構設計上，我們采取‘模塊化’設計，將現有的、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，同時節省了設計時間，提高研制效率，能快速滿足衛星方發射的需求。”于龍說。

　　衛星雖然能裝進整流罩，但在有限的空間內，衛星數量越多，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，設計團隊就對現場工裝設備、人員操作位置等進行考慮，將衛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，并通過星箭聯合操作試驗，不斷調整衛星安裝操作的順序及布局的位置，確保操作人員上箭操作的安全性，讓22顆衛星能順利“上車”。

　　確保各衛星近遠場安全

　　“本次任務需完成22星分離，共計完成12次分離動作，創造了中國航天的新紀錄。可以這么說，星箭分離中，長八遙二火箭宛如跳了一出芭蕾，最終22顆衛星的釋放就如天女散花一般。”火箭院長征八號火箭副總指揮段保成說。

　　這22顆衛星分離時會不會碰撞？進入預定軌道飛行時會不會碰撞？

　　研制團隊在完成多星分配器的設計工作后，專門開展了星箭聯合操作試驗，在試驗過程中對衛星的安裝操作順序以及布局位置進行了調整，并通過多輪仿真計算對星箭分離動作進行了優化設計，確保衛星從“上車”到“下車”全過程的安全。

　　設計團隊首先要考慮的是衛星近場分離安全性。于龍表示，衛星上天后要離開箭體，在這個過程中，衛星的動力源和解鎖方式會有一些偏差，不是想象中的靜態安裝位置在哪里，分離過程中就一定在這個范圍內不晃蕩。某些時候，這些小偏差會使得衛星與衛星之間距離縮小，威脅到箭體安全。

　　根據衛星的不同分離機構，設計團隊結合實際衛星布局位置，對所有箭體和衛星偏差進行多輪仿真計算，讓各衛星之間保留一定的近場分離過程中的動態間隙，保證近場分離安全性。

　　“衛星數量越多，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。”火箭院長征八號火箭軌道設計師李靜琳說，分離速度、分離方向、分離順序是影響衛星后續運動軌跡的關鍵因素。

　　22顆衛星加上一個火箭末級就是23個分離體，為保證彼此之間分離的安全性，設計團隊計算分析每一顆衛星運行的軌道參數，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，并根據衛星布局設計分離方案，最終采取了12次分離動作，依次將22顆衛星逐步分離出去，并通過不斷調整末級箭體的姿態，實現不同衛星的分離方向調整，確保各個衛星近遠場安全，讓22顆衛星安心“下車”。

　　在分離動作設計過程中，設計團隊也遇到了重重困難。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，在火箭調姿過程中，為了滿足天基可見的要求，要保證箭體調姿角度不能過大，對設計團隊又增加了一個難度。

　　面對巨大的計算量，設計團隊專門研制了“多星遠場分析工具”。“采用這個分析工具后，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，不僅大幅提高計算效率，而且提高了遠場分析的準確性。”李靜琳說。