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航天科技一院利用末级火箭搭载卫星

火箭院提出商业航天发射服务新模式,火箭末级搭载 小型载荷进入太空有了捷径

发布时间 : 2016-12-30     来源 : 中国运载火箭技术研究院新闻中心


  近几年,全球掀起商业航天发展热潮,小卫星发射需求越来越大,但由于目前小卫星发射渠道主要依赖搭载发射,受主任务运载能力、目标轨道、履约周期等制约,机会较为稀缺,进入太空绝非易事。

  同时,很多小卫星进入空间的目的是完成星上小型试验载荷空间试验验证等,只要进入空间即可,对轨道、朝向等要求并不高。

  针对以上情况,中国运载火箭技术研究院(以下简称“火箭院”)创新提出的火箭末级搭载模式,将这类小型试验载荷及其核心配套组件(下文统称“小型载荷”)直接安装在火箭末级上,同火箭一起进入太空,在完成发射任务后火箭末级留轨期间,完成载荷的空间试验等任务。这就是火箭末级搭载。它为小型载荷进入太空开辟了一条捷径,开创了一种新的发射服务模式。

   

   小型载荷进入太空有多难

    按照国际惯例,质量为500至1000公斤卫星被称为小卫星,100至500公斤的卫星被称为微小卫星,10至100公斤的被称为微卫星,小于10公斤的称为纳卫星。在当前宇航发射市场上,通常说的小卫星就是指百公斤以内的小型载荷。其中可称为纳卫星的很多小卫星的目的,就是进入太空进行试验验证。

    小型载荷进入太空绝非易事,从火箭运载能力来看,国际上绝大部分运载火箭都是针对质量为数百公斤级以上的卫星研制的。我国液体火箭中运载能力最小的长征二号丙,近地轨道运载能力为3.85吨,700公里太阳同步轨道运载能力1.1吨。而即便是新一代运载火箭中堪称小型的长征十一号固体运载火箭,其低轨运载能力也达700公斤。

    抛开多个搭载小卫星的目标轨道能否统一这个问题,单从一次任务的火箭运载能力来看,想找到足以填满此运载能力的若干小卫星集中在同一火箭上同时发射,已堪称“不可能的任务”。

    当前小卫星发射的主渠道是,火箭在发射大型卫星的同时搭载发射小卫星,但由于搭载发射机会是由大型卫星决定的,受主任务运载能力、目标轨道、履约周期等制约,小卫星发射市场仍然是供不应求。

 

   火箭末级搭载给微小型载荷更多“上天”机会

  火箭末级搭载就是在不影响主有效载荷发射任务的基础上,在火箭末级的结构上,安装满足要求的小型载荷,利用火箭末级进入太空轨道的机会,将小型载荷带入太空,在完成发射任务后火箭末级留轨期间,实现小型载荷在空间的任务目的。

    早在2013年,火箭院宇航部就针对卫星发射市场进行了一次调研,结果显示,很多小卫星任务的目的,多是器件的在轨验证或空间环境下的在轨试验。其中相当一部分需进入太空的试验验证载荷全系统加起来也只有几公斤到十几公斤,相当于火箭上一个系统单机的重量,增加这一重量对火箭的运载能力影响很小。

    火箭院宇航部项目主管尚辉说,这类试验载荷的任务包括:元器件在轨试验、微重力试验、生物的太空辐照培养试验等,只要进入太空,完成试验并获取到了数据,试验目的基本上就实现了。

    从这个角度来说,与其将小型载荷安装在小卫星上再由火箭发射进入太空,不如将小型载荷直接安装在火箭末级上,更加直接便捷,且分享和复用了火箭的结构,减轻了一部分发射重量,降低了发射成本。

    火箭末级在与任务卫星分离后,运载火箭承担的主任务已完成。随后,末级通常会进入不会影响任务卫星运行的轨道。在此期间,火箭末级搭载的小型载荷会随末级在太空中绕地球运行,这段时间足够它们完成各项试验。

    一般卫星等进入太空,需要与火箭之间建立复杂且昂贵的机械和电器接口,相对而言,小载荷搭载的安装方式更加简单。由于不像卫星一样要求星箭分离,它们只需要固定安装在火箭末级上受整流罩保护的区域内合适且安全的位置即可。简单的接口关系进一步降低了发射成本。


发展末级搭载可充分利用航天资源,减少空间垃圾

    根据航天运输系统和发射服务的理念,每个进入太空的机会都是一种资源,发射服务本身即就是创造和使用这种资源;小卫星搭载等业务模式是对主任务中火箭运载能力剩余资源的利用,而火箭末级搭载模式是对这种资源的进一步利用。

    此外,与将小卫星送入太空并实现分离的发射任务相比,火箭末级搭载模式还可以减少太空垃圾:让更多小型载荷与火箭末级捆绑在一起,可减少空间物体的数量,方便后续空间垃圾的跟踪、规避与处置。

 

火箭末级搭载模式已将3组小型载荷带入太空

    2014年10月24日,火箭院抓总研制的长征三号乙运载火箭载着嫦娥五号飞行试验器从西昌卫星发射中心腾空而起,成功完成中国探月工程三期再入返回飞行试验发射任务。在此次任务中,还有一颗名叫4M的探月小型载荷随着火箭三子级一起进入地月转移轨道,开始绕月飞行。

   4M探月小型载荷由欧洲OHB集团下属卢森堡空间公司研制,额定任务期为196小时,主要科学目的就是绕月飞行,并完成长效电池性能验证试验、辐照计部件测试等。

    根据给定的发射计划、经费预算及火箭搭载空间,火箭院采取火箭末级搭载的模式,在火箭第三级顶部,主有效载荷下方的火箭仪器舱支架板上为4M小型载荷安排了一个搭载空间。这个小型载荷进入太空后,按计划在轨开机并回传包括时间、电源电压、电流、温度、轨道辐照值等参数,来自世界五大洲几十个国家的60多个业余无线电个人或组织接收到了它发出的信号。这个小型载荷在太空超期服役2倍的时间,完成了地月往返环绕飞行,于2014年11月11日发送了最后一帧信号后进入静默状态,圆满完成了各项试验任务,并成为人类史上完成的首个探月商业发射服务业务。

    2016年11月10日,长征十一号运载火箭发射成功,另外两个小型载荷也以末级搭载的形式进入太空:代号分别为丰台少年1号KS-1Q这两个小型载荷由北京十二中、北京十八中、北京市航天中学的6名学生,在航天专家的指导下研制,均顺利完成在轨工作,为促进我国航天教育和科普做出了贡献,同时,也再次证明了火箭末级搭载模式的有效性。

 

   火箭末级还将能够为小型载荷提供早期看护

    新生儿离开母体至第一次啼哭前这段时间非常关键,啼哭是他们能否实现呼吸等生命机能的重要标志。卫星等有效载荷也是同样的道理,与火箭分离后、与地面建立联系前的这段时间是他们的风险期。

    此时,卫星各项主要功能还没有启动,有的卫星天线还没有对准地球的相应角度,有的卫星正在原地旋转还不能持续发送信号,有些卫星可能太阳翻板没有打开……需要一段时间来进行一系列调整。

    小卫星和小型载荷情况更甚。茫茫宇宙中,小卫星和小型载荷因为个头小,地面更加难以找到和跟踪他们,就像刚出生的小婴儿,他们需要外界给予一些帮助。

    如果采用末级搭载模式,这个早期看护的任务可以由火箭末级来完成。刚刚分离的火箭末级还保持着与地面通信的能力,并且由于末级体积较大,地面能在第一时间跟踪到搭载在其上面的小型载荷。如果需要,末级上的信号装置还能够转发小型载荷的状态信息。

    不仅如此,如果任务允许,火箭末级上剩余的燃料能支持末级完成一定的机动动作,提供更有利于小型载荷的轨道和姿态。此外,随着市场需求的牵引和技术升级,火箭末级还可提供升级的“看护”服务,如供电、信号回传服务等。

 

  火箭末级搭载将提供更多的发射机会,并促进商业航天发展

    “十三五”期间,我国长征系列火箭将迎来新一轮高密度发射期,仅火箭院抓总的长征火箭就将完成数十次发射,任务目标轨道涵盖近地轨道、太阳同步、地球同步、地月转移等轨道。这为开展小型载荷的末级搭载创造了机会。

    火箭院宇航部部长李同玉说,对于商业航天来说,“商场如战场”,商业总是与成本和机会密不可分,火箭末级搭载模式为商业小型载荷进入太空提供了低成本和快捷的渠道。因此,这种末级搭载也成为一种新的航天商业发射服务业务模式,为客户提供了一种新的选择。

    在经过两次发射、三枚载荷的项目经验积累以后,火箭末级搭载,作为小型载荷进入太空的捷径已经逐步走向成熟,今后,这一新兴模式将进一步推广,促进商业航天产业发展。

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