中国首枚固体运载火箭长征11号年内将首飞,中国

日期:2019-10-07编辑作者:中国军情

图片 1 吊装中的美国“半人马座”上面级

图片 2   远征一号(科学报图片)

图片 3 长征11号运载火箭的作用与“快舟”火箭较为类似

  2015年是中国航天发射的又一个密集年,计划完成20次宇航发射,将超过40个航天器送入太空。而3月30日这一天将成为中国航天再创多项第一的日子:新一代上面级远征一号即将以“太空摆渡车”的使命迎来首次太空之旅。“上面级”是什么?“远征一号”未来又将担负什么样的太空发射任务?它的出现将带给中国航天哪些深刻的变化呢?或许可以从远征一号这个名称中看到一些端倪。

图片 4   美国“半人马座”上面级(资料图)

  全国政协委员、航天科技集团中国运载火箭技术研究院党委书记梁小虹3日透露,我国火箭家族中的新一代小型运载火箭——长征十一号运载火箭,将在年内首飞;长征七号火箭进入首飞前最后冲刺阶段;长征五号运载火箭实体即将于海南发射场“亮出真容”。而被喻为“太空摆渡车”的远征一号。也即将迎来首次“太空之旅”。

  远征一号上面级是什么?

  全国两会期间,全国政协委员、中国航天科技集团一院党委书记梁小虹透露,由该院研制的我国首个“太空摆渡车”——“远征一号”将于今年首次试飞。虽然此次首飞试验不执行具体任务,但据悉将会模拟未来任务的全过程。航空科普专家、《航空知识》副主编王亚男在接受《中国科学报》记者采访时表示,“太空摆渡车”可视为航空领域又一“门槛级”技术,“远征一号”首飞成功则意味着我国在航空航天技术领域再进一步。

  梁小虹介绍,长征十一号运载火箭是我国研制的首枚固体运载火箭,与现役以液体推进剂为动力的长征系列火箭相比,它的发射准备时间由“月”缩短为“小时”,将大大提升我国快速进入空间的能力。它最大的优势是“快速、便捷、灵活”,可实现卫星快速组网和补网,能很好地满足自然灾害、突发事件等应急发射需求。

  所谓上面级就是运载火箭最上面的一级或多级,其以下的几级火箭被称为基础级。上面级有自主轨道机动能力,在轨飞行时间长,一般可多次启动点火,满足不同发射任务需求,能将一个或多个有效载荷(如卫星、空间探测器等)送入预定轨道,就如同机场的摆渡车。使用上面级可以大大减少有效载荷自身的燃料消耗,从而大大延长工作寿命。

  梁小虹也指出,掌握该技术后,“太空摆渡车”将在我国未来的月球、火星等深空探测任务中,在轨道转移、空间碎片清理等轨道服务中,在新材料、新技术验证等空间试验领域中发挥重要作用。

  目前,长征十一号运载火箭已完成研制阶段的各项工作,进入首飞前最后准备阶段。

  据长征-3A系列运载火箭总设计师姜杰在两会期间接受专访时透露,长征-3C/远征-1是在原本3级的长征-3C火箭上面增加一级,从而变成4级火箭。4级火箭的主要任务是搭载可以直接入轨的卫星。以往的3级火箭只能将卫星送至转移轨道,即3级火箭发射的轨道是椭圆的,卫星需要变轨为圆形轨道。而改进后的4级火箭可以直接将卫星发送至距离更为遥远的目标轨道,卫星不需要再变轨。3级火箭的飞行只需要半小时左右,而4级火箭则需要飞行4~6小时,能飞到几万公里的外太空。

  多用途的上面级

  同时,梁小虹说,新一代中型运载火箭长征七号计划今年年底完成遥一火箭总装,目前已进入首飞前最后“冲刺”阶段。

  远征一号将为谁“摆渡”?

  专家介绍说,“太空摆渡车”并不神秘,它只是运载火箭最上面的一级(或数级),也是最后一级(上面级以下的几级被称为基础级),简称之为“上面级”。通常,有效载荷(如卫星等)通常和上面级一起,由基础级运载器发射进入准地球轨道或地球轨道,再进一步由上面级送入预定工作轨道或预定空间位置。

  据介绍,长征七号火箭掌握了一系列具有自主知识产权的核心技术,是我国首枚“数字化”火箭,从设计到生产,均采用全三维数字平台,这就好比从“连环画”过渡到了“3D电影”时代。

  对于30日远征一号将要摆渡的首个“客人”是谁,中国航天业界并不愿过多评论。不过国内媒体此前曾公开报道称,2015年我国计划发射4颗“北斗”全球导航试验卫星,对全球导航卫星系统中的新技术进行验证。

  据媒体报道,自上世纪80年代末开始,我国先后研制出多型固体推进剂上面级,共进行了10次飞行,全部取得成功。但这些只能满足某种单一任务,尚不具备处理复杂太空任务的能力。

  梁小虹透露,我国目前研制规模最大、技术跨度最高的航天运输系统工程——长征五号运载火箭实体即将于海南发射场“亮出真容”,进行它问世以来的第一次“实战演练”。据介绍,今年,长征五号运载火箭将面对前所未有的挑战,横跨三省市六地,打好芯一级芯二级动力系统试车和5米低温贮箱新静力试验、海南发射场合练这“三大战役”。

  据中国运载火箭研究院党委书记梁小虹在两会期间介绍,新研制的远征-1上面级有四大特点:一是兼具运载器与航天器的技术特性。它是在运载火箭或重复使用运载工具上面增加的相对独立的一级或多级,可依靠自身动力携带航天器继续飞行。二是可多次启动。运载火箭将其送入太空后,上面级能多次点火启动,满足不同发射任务的需求。三是工作时间长。上面级长于运载火箭的工作时间,可以达到数小时、数天乃至数十天。远征-1上面级首次采用了液体推进剂,在轨工作时间为6.5小时。四是可以先后把不同“乘客”送到不同目的地。在太空,上面级接力火箭继续执行飞行任务,可通过飞行轨道的变化,将携带的一个或多个航天器直接送到工作地点。

  那么,“远征一号”与此前的运载火箭上面级有何区别?

  梁小虹还透露,我国新一代上面级远征一号即将迎来诞生后的首次“太空之旅”。

  由于上面级拥有众多优点,美俄等国很早就在研制并使用。美国目前总共研制出10多种上面级,用于发射大、中、小型有效载荷。如“阿金纳”、变轨级、有效载荷助推舱/Star-48B、惰性上面级、“半人马座”上面级等。

  军事评论员宋忠平在接受《中国科学报》记者采访时说,此前的运载火箭上面级多采用固体推进剂,无法重复点火,故其所能执行的任务也比较单一;“远征一号”上面级采用液体推进剂,能够多次启动,在太空工作时间较长,可以执行多项、复杂任务。

  他介绍,今年,远征一号将与长征三号丙火箭共同执行发射任务,在火箭将其送入预定轨道后,独立地将要发射的卫星直接送入预定轨道。像摆渡车将车内的乘客送到不同地点一样,远征一号能将所运载的航天器送入不同的太空轨道,因而被研制人员形象地喻为“太空摆渡车”。

  苏联/俄罗斯也先后打造了各种上面级。如D段、DM段、DM-SL段、微风-KM、微风-M和“弗雷盖特”等上面级。欧洲航天局后发制人起点高,研制了可贮存液体上面级EPS以及低温上面级ESC-A和ESC-B。这些航天大国,不仅用装有上面级的运载火箭把卫星直接送入轨道,美国还曾用航天飞机发射卫星和空间探测器,它是靠装在货舱内的有效载荷助推舱/Star-48B上面级来发射。目前,为了降低卫星成本,美国GPS-2F导航卫星不用远地点发动机入轨,而用装有上面级的“宇宙神-5”或“德尔塔-4”火箭直接送入工作轨道。

  “比如一次发射两个以上卫星,这几个卫星处于不同轨道。运载火箭推送到第一个预定轨道,上面级点火释放一颗,到另外轨道,上面级再点火释放另外一颗,如此类推。”宋忠平说,“不妨认为它是一种货运飞船,既是一个运载工具,又是一个航天器,兼具二者的特性。”

  此外,全国政协委员、中国空间技术研究院空间科学与深空探测首席科学家叶培建院士表示,嫦娥五号正在进行研制,进展良好,将按计划于2017年在海南发射。

  上面级也常用于“一箭多星”发射,以有效降低发射成本。美国的“半人马座”、俄罗斯的微风-M、欧洲的EPS等著名上面级,具有多次变轨、高精度导航、星箭接口适应性强等特点,都具备多星多轨道发射能力,进行快速组网。如2015年3月28日(北京时间),装有“弗雷盖特”上面级的俄罗斯联盟-ST火箭就一举发射了第7颗和第8颗欧洲“伽利略”导航卫星,把它们分别送到两个轨道面。美国甚至还用上面级完成某些特殊任务,比如用“半人马座”上面级先将美国“月球陨坑观测与感知卫星”送至月球轨道,然后用“半人马座”上面级对月球进行撞击。

  宋忠平告诉记者,“远征一号”上面级最大的特点就是液体推进剂赋予它的具备多次重复启动的能力。

  他透露,嫦娥五号的探路飞行器“小飞”(探月工程三期再入返回)的服务舱还在天上,现在正在月球轨道上飞行,“希望它再飞一段,为将来嫦娥五号的月球轨道交会对接等任务进行更多技术验证工作”。

  远征一号不只是一个任务型号,而是系列编号

  也就是说,“远征一号”上面级不再是单纯的运载火箭中的一级,或者说它已不仅仅是个运载工具,到了太空,它就成了“太空摆渡车”,背负起将有效载荷送入指定目的地的责任。

  面对太空垃圾对航天活动的威胁,以及私人资助的航天活动增多等问题,叶培建建议尽快制定太空“交通规则”。他还透露,中国航天科技工作者一直在为火星探测、小行星探测做技术准备。

  据了解,从上世纪80年代末开始,中国先后研制出多型固体推进剂上面级,并进行了多次飞行,全部取得圆满成功。但此前的上面级均为满足某种单一任务而研制,只具有一次启动能力,工作时间较短,对于更多发射任务适应性较弱。远征一号作为一种液体推进剂上面级,有望成为中国航天领域真正意义上的“太空摆渡车”。

  王亚男还指出,被称之为“太空摆渡车”的上面级,作为具有一定的轨道机动能力的末段运载器,不仅能够满足航天器的变轨需求,增强了发射效率,还有利于延长卫星在轨运行的寿命。

  梁小虹表示,为加强中国航天在深空探测、空间试验等空间领域的探索和服务能力,中国运载火箭技术研究院将按照系列化发展的思路,在远征一号的基础上逐步构建多种类、多用途的上面级产品。

  而由于“远征一号”上面级要求同时具备多种特性,被火箭设计师称之为真正意义上的“太空摆渡车”。

  发射卫星新手段

  据媒体报道,“远征一号”是我国首次采用液体推进剂的上面级,在轨工作时间可达6.5小时。

  “远征一号”上面级能够“在轨工作6.5小时”是什么概念?王亚男告诉记者,6.5个小时足够部分卫星完成大幅度的变轨,或者完成某种卫星较为复杂的发射和入轨。

  “‘太空摆渡车’在太空的机动运输能力很强。”王亚男认为。“太空摆渡车”的问世,将大大增强我国运载火箭的任务适应性。

  宋忠平补充说,从上面级自身整体设计来看,它本身应有姿态控制系统和导航系统,作为小型“货运飞船”,它能向各级轨道输送更多有效载荷。“‘远征一号’连续工作6.5小时,这时间足够把不同载荷运载到不同轨道;而且这几个轨道可能差异很大,包括近地轨道、中高度轨道、远地轨道的连续变轨。”

  记者了解到,预定于地球同步转移轨道(或称“地球静止轨道”,特指卫星或人造卫星垂直于地球赤道上方的正圆形地球同步轨道)环境运行的卫星通常可依赖火箭上面级将其送入轨道。不过,如果卫星非常先进,自带星载远地点发动机,就不须用上面级也可进入轨道。相较之下,“太空摆渡车”优势何在?

  “通讯卫星、遥感卫星等作为同步卫星,它们在飞行过程中可能会面临轨道下降的问题。这时候如果能启动发动机微调,能延长卫星工作寿命。”宋忠平告诉记者,因此,许多国家希望他们能够发射具备星载发动机技术的卫星,“如果不计成本的话”。

  譬如此次我国为搜救马航失联班机MH370,先后调度20余颗卫星。其中一些遥感卫星就需要通过星载发动机来改变卫星的轨道,通过变轨让它对目标区域进行扫描检测。

  然而,王亚男告诉记者,卫星自载动力一般为高压气体,而非搭载液体推进剂,因其主要用于调整姿态等小幅度位置变动,不需要大推力动力系统;而作为“摆渡车”的上面级,它秉承“使用尽量少的推进剂产生尽量大的推力”,有能力把卫星送到不同轨道的不同位置(甚至是地火轨道转移),既可以发射单星,又可以发射多星,在性能和设计上追求最优解。

  “不能简单说孰优孰劣,发展了上面级技术,会让未来卫星发射的选择更多元,根据需要来选择卫星的发射方式。”宋忠平补充说,与星载发动机技术相比,利用“太空摆渡车”发射卫星不仅成本相对较低,还更简单,而“简单意味着更安全”。

  太空垃圾回收车

  “太空摆渡车”另外一个重要的使命,就是可提供轨道转移、空间碎片清理等轨道服务。然而,“打扫太空垃圾”绝非易事。

  “怎么收集太空垃圾?如何处理?太空垃圾首先不能对回收者造成实质性威胁。”宋忠平认为,未来“太空摆渡车”或能够同时具有机械臂功能。

  如果把利用“太空摆渡车”发射和释放卫星到预定轨道的动作比作“卸车”,那么从特定轨道回收太空垃圾的动作就是“装车”。“摆渡车”上如果有“机械臂”的话,那么这两个动作都将变得相对轻松和灵活。而且,太空垃圾多为报废卫星,如果抓回来之后还能软着路,对报废卫星进行回收,还具有一定的研究价值。

  “美国已经在这条路上走在了前列。”宋忠平认为,利用太空飞船或“太空摆渡车”来释放、收回卫星更为灵活,应用更为广泛,验证和发展机械臂技术是未来需要考虑的方向。

  “包括在空间站建设中,这些技术都是必不可少的。”宋忠平告诉记者,飞船与国际空间站的两种对接方式,其中一种就类似机械臂的抓取,“太空机械臂在未来太空探索中必将发挥重要作用,我们需要逐步掌握”。

  欧美各国的“太空摆渡车”

  美、俄(前苏联)等航天大国从20世纪五六十年代就开始发展上面级技术,已经研发出的上面级达数十种。公开资料显示,美国在20世纪50年代末就开始进行上面级的研制,到目前共研制出10多种上面级,用于发射大、中、小型有效载荷。典型的有“阿金纳”和“半人马座”上面级。

  欧洲在上面级技术方面虽然起步较晚,但其技术起点高,其上面级具有性能好和适应性强的特点,市场竞争力很强。

  随着近年来各国的发展和完善,运载火箭的上面级通常具有功能多、工作时间长等特点,可在太空中多次点火启动,能携带多个航天器,通过飞行轨道的变化可先后把不同航天器送到不同目的地,满足不同发射任务的需求。

  针对运载火箭上面级具有多次变轨、高精度导航、星箭接口适应性强等特点,许多一箭多星任务可由上面级完成。如欧空局计划采用一箭双星的发射方式分两次向两个轨道面发射“伽利略”导航卫星。

  而当地球静止轨道卫星平台未装远地点发动机时,只能依赖火箭上面级直接送入轨道。自1978年以来,美国前五代GPS导航卫星已发射57颗,分别用“宇宙神”“德尔塔”等运载火箭送入转移轨道后星箭分离,再依靠远地点发动机到达工作轨道。与前五代GPS卫星相比,第六代GPS导航卫星不用远地点发动机入轨,而用有上面级的“德尔塔-4M”或“宇宙神-5”运载火箭直接送入工作轨道。

  另外,通过轨道设计,上面级可满足一些任务的特定要求。如“半人马座”上面级将美国“月球陨坑观测与感知卫星”运送至月球轨道,并先后撞击了月球。(见习记者 赵广立)

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