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我为“胖五”上面级当“信使”

2016-11-04 513所 山东航天电子技术研究所

      11月3日20时43分,我国最大推力新一代运载火箭长征五号从中国文昌航天发射场点火升空,约30分钟后,载荷组合体与火箭成功分离,进入预定轨道,长征五号运载火箭首次发射任务取得圆满成功。此次发射成功,标志着我国运载火箭实现升级换代,运载能力进入国际先进行列,是中国由航天大国迈向航天强国的重要标志。


长征五号为啥叫大火箭?

长征五号火箭被称为大火箭,为什么要这么说呢?长征五号火箭的大,首先体现在体积重量大,从外形上,肥硕的长征五号就要比瘦削的长征二号F和长征三号B火箭大得多,长征五号也由此收获了航天爱好者的爱称“胖五”。


      
  长征五号火箭作为我国十年磨一剑的产物,绝非徒有其表,它使用了高效的推进剂组合和高性能的火箭发动机,让长征五号火箭的运载能力大有提高,大火箭的大字,还体现在运载能力大。长征五号火箭的地球同步转移轨道运力为约14吨,长征五号B火箭的近地轨道运载能力约为25吨,是当之无愧的大型运载火箭,这两个指标不仅比我国上一代运载火箭的纪录保持者长征三号B和长征二号F运载火箭都提高了两倍多,对比国际大型运载火箭也是相当出色的。


       长征五号系列火箭的运载能力高于俄罗斯质子号火箭和安加拉火箭,也优于欧空局的阿里安5系列火箭,对比美国的宇宙神5火箭和日本的H-IIB火箭更是有过之无不及。

 更重要的是长征五号火箭还根据实际需要搭载远征二号上面级,具有更灵活的发射能力,这次我国首次使用远征二号上面级,是我国火箭上面级技术的重大突破。


问题来了,什么是上面级?

上面级是在基础级火箭上增加的相对独立的一级,作用介于火箭和航天器之间,既有自主轨道机动能力,在轨时间又长,可以将一个或者多个载荷送入指定轨道,所以被形象地称为“太空摆渡车”。


为什么要发上面级?

过去,火箭把卫星送到“起点站”,卫星要想到达“终点站”,往往需要自己多次变轨,而使用上面级,就可以将卫星“一站式”送至目标轨道,上面级一般可多次启动点火,将一个多个有效载荷送入预定轨道。


       
 卫星等载荷“一站”到达目的地,一方面可以大大减少卫星自身的燃料消耗,从而大大延长寿命。另一方面,“减负”后的卫星得以实现小型化,在太空之旅中可以“轻装上阵”。而且,运送完卫星,上面级可以自行进入垃圾轨道,不占用宝贵的同步轨道位置资源。

通过将上面级与我国长征系列运载火箭灵活组合,可最大程度发挥基础级火箭的运载能力。利用上面级轨道部署能力,以一箭多星发射方式,可有效提高发射效率,减少发射组织次数,降低任务成本,满足日益增长的航天高密度发射需求。

历史上的“上面级”

我国从上世纪80年代末开始,便先后研制出多型固体推进剂上面级,飞行均取得圆满成功,也曾成功应用于外星发射任务。但它们均为满足某种单一任务而研制,只具有一次起动能力,工作时间较短。

相较于“前辈们”,2015年3月,我国远征一号上面级首飞成功,它采用液体推进剂,在轨工作时间可达6.5小时,具备可多次启动、“摆渡”多名“乘客”等特性,因此被认为是真正意义上的“太空摆渡车”。


其他大国也有上面级吗?

美国:美国从20世纪50年代末就开始发展上面级技术,如今共研制出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。


     
   俄罗斯:俄罗斯(前苏联)从20世纪60年代末开始升级已有的运载火箭,在技术相对成熟的运载火箭如联盟号、质子号和天顶号火箭上加装各种上面级,先后研制出D段、DM段、微风-M、KVRB和Fregat等上面级。

欧洲:欧洲的阿里安-5运载火箭在国际发射服务市场中占有一半以上的份额,大部分采用一箭双星发射的方式。为了提高阿里安火箭的适应性,欧空局先后研制了可贮存液体上面级EPS以及低温上面级ESC-A和ESC-B。


远征二号首飞成功

长征五号使用了全新上面级

       此次长征五号火箭搭载了远征二号上面级,具有更灵活的发射能力。这是我国首次使用远征二号上面级,是我国火箭上面级技术的重大突破。

长征五号远征二号上面级是目前国内直径最大、质量最大的上面级。长征五号上面级直径为5.2米,总质量约为1800千克。而长征五号火箭作为我国采用无毒、无污染推进剂的新一代大型运载火箭,是我国运载火箭升级换代的里程碑和重要标志,肩负着提升我国航天运输系统综合实力,达到国际领先水平的历史重任,意义十分重大。


513所上面级测控数传终端

为远征二号上面级当”信使“

上面级测量与控制技术则至关重要,决定着上面级和搭载的卫星能否按照预定计划准确进入轨道。当上面级与火箭分离后,需要在外层空间长时间、远距离飞行并进行多次变轨,地面人员就需要一个”信使“,保证对上面级实现发射全程遥控、跟踪测量和运载与卫星关键参数。


       
513所研发的上面级测控产品——上面级测控数传终端,就是干这个用的,至今已在我国多次火箭上面级任务中发挥了关键作用。

上面级测控数传终端——上面级的“信使”

上面级和火箭分离后,仍然需要带着卫星继续飞行,最终将卫星送到预定轨道。而这段时间,测控数传终端就扮演着“调度员”的角色。

测控数传终端可以说是地面和上面级之间唯一的联系方式,飞行过程中出现任何“健康状况”,包括上面级的测距、测速、遥控、遥测,这就像人的体温、脉搏、血压等,都得靠测控数传终端实时传输到地面显示。

       比如测距和测速,测控数传终端要判断上面级带着卫星是否按照预定的速度飞行到了预定轨道,期间会不断发出修正的指令,随时反馈给地面控制人员,并把地面站发送的控制指令传递到相应的执行设备上。

多次成功“护航”,填补我国上面级直接入轨测控技术的空白

从2010年起,513所开始自主研发上面级测控数传终端,2015年3月首次应用成功,填补了我国上面级直接入轨测控技术的空白,其后又连续三次应用于长三甲火箭,为北斗导航卫星的发射保驾护航。今年6月,再次成功应用于长征七号火箭上面级。


   
   至此上面级测控终端已先后五次完成发射测控任务,奠定了513所在上面级测控领域的领先地位。








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