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谭骁天:远征一号与新征途上的中国航天

2015-04-03 09:59:18 作者: 谭骁天 评论: 字体大小 T T T 扫描到手持设备
三月初春,长征三号丙和远征一号发射成功的消息给今年的中国航天带来了喜庆的气氛。我在此也祝贺我国航天人“开门大吉”!

2015年3月30日晚21点52分,一枚长征三号丙运载火箭托举着北斗导航系统全球组网试验星(I1-S),从沉寂了三个月之久的西昌卫星发射中心发射升空,这也是中国本年度第一次航天发射。与以往不同的是,航天迷并没有在3月30日等来卫星进入转移轨道的消息,直到31日早晨,卫星进入运行轨道的新闻才姗姗来迟。这并不是发射过程中出现了什么意外,而是本次任务采用了新的运载工具和入轨方式。

上图均为本次发射北斗全球组网试验星的现场图

图为发射嫦娥五号T1试验器的长征三号丙火箭

这个首次使用的运载工具叫做远征一号,是我国第一枚液体上面级飞行器。它被附加在第三级火箭之上,远征一号使用常温液体燃料(四氧化二氮/偏二甲肼),设计最长运行时间为6.5小时。单从发射现场的照片看,我们很难发现这枚火箭与以往的改进型长征三号丙运载火箭有什么明显区别。这是因为远征一号上面级已经被整合进了通常用来装载卫星的整流罩内。增加的这一级结构,也使本次发射北斗全球组网试验星的火箭成为了中国制造的第一枚四级液体火箭。而这新增加出来的一级火箭,让卫星从发射到进入运行轨道的时间,从数十个小时缩短为了五个多小时,由于变轨操作已经全部由上面级完成,卫星也无需再耗费大量燃料进入新的运行轨道。这样使得宝贵的星载燃料可以完全被用于进行日常轨道维持,这大大延长了卫星的运行寿命。

从上面所示的火箭结构图中可以看出,有着太空摆渡车称号的远征一号上面级,所占的体积其实非常小,其长度甚至还不如它所运载的卫星。但就是这么个占火箭总体积不到5%的小玩意,其“待机能力”可不容小觑。长征三号丙火箭那硕大的身躯,一般只会运行不到30分钟便完成使命,而“小巧玲珑”的远征一号,却要担负起卫星后面五六个小时的航程。根据任务需要,上面级一般还得拥有多次关机多次再启动的能力。

上图所示为长三丙火箭与上面级分离的模拟图,右侧黄色部分为远征一号上面级,左侧较长的白色部分是长征三号丙火箭的第三级。

星箭组合体

以本次发射任务为例,在远征一号与长三丙火箭分离之后,上面级需要在六小时内进行两次滑行和两到三次次点火才能将北斗卫星送入倾角55度的倾斜地球同步轨道(IGSO)并把其自身带往不影响卫星工作的墓地轨道。根据目前公布的信息,本次任务还抛弃了以往常用的霍曼转移轨道,转而使用了入轨更快的新轨道,可以说,这也是远征一号为卫星做出的独特贡献。

本次I1-S卫星从发射到最终入轨的示意图

卫星对上面级功能的需求使它的研制工作充满了挑战。一个既要小巧又要超长待机还要维持高性能的手机尚且不好设计制造,何况一个事关卫星发射成败的火箭上面级呢。目前在世界上,有能力设计制造这一部件的,除了我国以外也只有俄罗斯和美国两家。其中使用较多的俄罗斯微风M上面级,就曾经多次导致发射失败,星箭俱毁。

图为俄罗斯微风M上面级

此次远征一号上面级的成功首飞,标志着我国在空间运输领域取得了很大的进步。但作为中国航天的年度首射,此次取得开门红的远不止于运载火箭系统。火箭上搭载的北斗全球系统试验星(I1-S)是本次任务的另一大看点。

大家可能已经有所察觉,自2012年10月25日北斗二号G6星发射升空以来,这两年半的时间里,北斗卫星的组网工作似乎沉寂了。这其实是因为在完成亚太地区组网之后,北斗系统一直在进行全球组网覆盖的准备工作。而今天,北斗卫星定位系统的第三代,北斗全球定位系统,终于迈出了它的第一步。与远征一号一样,这一枚北斗导航系统全球组网试验星也是全新研制的。担负卫星研发任务的中国科学院上海微小卫星工程中心并没有沿用北斗二号使用的东方红三号卫星平台,而是另起炉灶进行了重新设计。新一代北斗卫星,体积质量比北斗二号更小,功能却更强大,还具备了星间通讯功能。等更多北斗全球定位卫星发射后,星间链路也将展开测试。

前文中提到了远征一号可以为卫星节约星载燃料,此枚北斗卫星就是第一个受益者。虽然由于体积变小,卫星所载燃料总量较之前的东三平台有所下降,但由于有了“太空摆渡车”远征一号的协助,其预期使用寿命还是从北斗二号的八年左右延长到了十二年左右。

此次发射的成功标志着北斗三期全球组网工程的大幕已经拉开,从今年到2020年,每年都会有三颗以上的北斗卫星被发射升空。五年以后,一个更大,更准确的北斗卫星定位系统就将从亚太走向全球。

与北斗卫星定位系统全球组网同时拉开帷幕的还有中国航天的又一个发射高潮,从今年到2017年,我国将先后试射四型全新研制的运载火箭,为沉寂15年的长征系列运载火箭家族增添新鲜血液。其中,长征五号系列火箭将承担包括探月,空间站在内的重型载荷航天发射任务。长征七号则会逐渐代替已经逐步过时的长征二号系列和一部分长征三号甲系列火箭的发射任务。而长征六号与长征十一号小型火箭将会突破我国运载火箭的运载能力下限,填补现在小型载荷运力方面的空白。

上图为长征六号火箭

值得广大航天迷朋友关注的是,长征六号火箭已于去年完成合练,预计今年下半年就能首飞。到那时,笔者将提供更为详细的介绍。

至于大家期盼已久的长征五号和长征七号,想要看到它们首飞,可能还需要等待一段时间,但它们的真容已经逐渐显露在大家的视线中。今年一,二月,长征七号火箭已经在海南卫星发射中心完成了场箭合练,预计在一年后大家就能看到它腾空而起的英姿。

图为长征七号合练箭与脐带塔

大家伙长征五号,虽扔“犹抱琵琶半遮面”,但也已接近“千呼万唤始出来”的阶段了。现在它正在天津进行全箭振动实验,如果一切顺利,将会在今年下半年或者明年上半年运往文昌开始发射前的合练工作并在两年后实施首飞。

图为正在天津总装厂房的长征五号火箭

三月初春,长征三号丙和远征一号发射成功的消息给今年的中国航天带来了喜庆的气氛。我在此也祝贺我国航天人“开门大吉”!就如同“远征一号”这个名字一样,中国航天又一次踏上了新的征程,我们可以预料到路途上的艰辛。克无论如何,我们还是应该祝愿,在这个航天发射的“大年”里,中国航天能再接再厉,为大家带来新的惊喜,从胜利走向新的胜利!

责任编辑:沙枣花
来源: 观察者网
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时间:
2014年12月28日 ~2014年12月28日
地点:
北京市海淀区中科资源大厦南楼4层 水木汇咖啡馆