揭秘远征系列上面级 如何让“北斗”飞得舒服?

2018-02-13 来源:科普中国-军事科技前沿 作者:赵清建

  编者按:

  北斗卫星导航系统(以下简称北斗系统)是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要,自主建设、独立运行的卫星导航系统,是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施。目前,我国正在实施北斗三号系统建设,计划到2020年前后,完成30余颗卫星发射组网,为全球用户提供服务。

  北斗系统,在建设过程中实现了核心关键技术的全面突破,涌现出大批优秀科研攻关团队和个人。即日起,《军事科技前沿》将持续聚焦北斗系统建设,解读其中的核心装备、关键元器件等重要技术突破,以及在这背后默默付出的科技工作者和他们所展现出的科学精神。

  出品:科普中国

  作者:赵清建

  监制:光明网科普事业部

  2月12日,在西昌卫星发射中心,远征一号上面级承载着北斗三号卫星,随长征三号乙运载火箭拔地而起,直刺苍穹,约三个半小时后,远征一号上面级将卫星送入目标轨道,发射任务取得圆满成功。本次发射任务是远征一号上面级第六次执行发射飞行任务,标志着我国北斗导航系统第三步建设北已进入全面实施阶段。

  2月12日,北斗三号工程第五、六颗组网卫星在西昌发射。梁珂岩摄

  2018年是中国航天高产的一年,远征系列上面级也迎来了“高密度”发射时代。2018年远征系列上面级将执行8次北斗三号卫星工程组网发射任务,护送16颗北斗导航卫星进入预定轨道。为了让“乘客”有更好的飞行体验,研制团队不断创新、改进方案,从而让“乘客”更精准、舒适到达目的地。

  “上面级”为何被成为“太空摆渡车”?

  “上面级”是一种运载工具,是在原有的三子级火箭上面,增加相对独立的一级,形成“四级火箭”。它就好像机场的“摆渡车”可以将乘客送往不同目的地一样,可以先后把不同的卫星直接送到工作轨道。因此,它又被称为“太空摆渡车”。

  上面级结构简图

  截至目前,世界航天大国先后研发的此类运载器达数十种之多,如美国的半人马座、俄罗斯微风和护卫舰都是著名的上面级。我国的上面级研制始于上世纪80 年代末,并先后研制出多种类似运载器,但此前均为满足某一单一任务而研制,这些运载器对于更多发射任务适应性较弱。而第一研究院研制的“远征一号”上面级通用性很强,能多次点火启动,可满足不同任务需求。

  从火箭手中接过飞行“接力棒”后,上面级所处的工作环境发生了变化,各种太空射线、太空力热环境非常复杂。最初上面级诞生时,考虑到元器件的考核程度、技术成熟度等因素,研制团队为了稳妥可靠,大部分选择了进口元器件,且元器件的性能水平也普遍高于所需的水平。

  “坐过站”可调整路线

  以前,在没有“太空摆渡车”时,运载火箭把卫星送入“转移轨道”后,卫星要通过自身变轨到达工作轨道。这个过程需要消耗数吨燃料,飞行数天。而“太空摆渡车”,可以带着卫星在太空“接力”火箭飞行,仅用几个小时就能把卫星送入工作轨道。

  上面级接过火箭的“交接棒”在太空飞行,飞行路径和高度都预置好的,如果出现“上一棒”没有在指定“车站”停车的情况,上面级会怎样调整呢?叶成敏介绍,以前设计师们更担心的是火箭无法飞行到预定位置,制定的预案也大多针对这种情况,但实际还有一种可能性,火箭有可能飞“过站”。

  考虑到这种情况,上面级也做了相应的技术改进,为上面级增加了“冗错机制”,即使“乘客”坐过站,上面级也能重新规划飞行路线,确保将“乘客”准确送达目的地。

  “远征一号”上面级与“北斗三号”卫星组合体(资料图 来自央视)

  轻装上阵提高载荷能力

  上面级在太空飞行时,肩负两个重要使命,除了将卫星送到指定位置,还要测量自身所处的太空环境,将数据传回地面,以便为后续其它飞行器进入太空积累经验。随着太空飞行次数的增加,飞行器在太空采集的数据门类不断固化,研制团队对太空环境的认识不断提高,因此有些数据不需重复采集。

  叶成敏介绍,此次发射的上面级通过调整测量等相关系统设计,在保证测量需求的前提下,将环境和力学参数测量传感器的数量从百余个减少到二十多个,为上面级“瘦身”,从而使它能携带更多的载荷。

  “远征一号”上面级的研制成功,不仅可以减轻卫星自重、减少卫星的燃料消耗、延长卫星使用寿命,还将大大增强我国运载火箭的任务适应性,提高我国商业发射的竞争力,而且在未来的探月、火星探测等深空探测任务,轨道转移、空间碎片清理等轨道服务,以及新材料、新技术验证等空间试验领域,都有极高的应用价值。

  目前,我国的远征上面级技术达世界先进水平。未来,远征一号上面级还将执行更多、更复杂的任务。

责任编辑:王超

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