◎张未 王冰 许诺 科技日报记者 付毅飞
据国家航天局消息，2月27日11时06分，长征八号遥二运载火箭飞行试验，在中国文昌航天发射场顺利实施，火箭飞行正常，试验取得圆满成功，创造了我国一箭多星发射的最高纪录。
本次发射是长征火箭第409次发射。
屠海超 摄
长征八号是我国自主研制的中型运载火箭，长八遥二为长八运载火箭无助推器状态，为适应一箭多星任务，更换整流罩，本次发射是该构型首次飞行试验。火箭采用无毒无污染推进剂，全箭长约48米，芯一级直径3.35米，芯二级直径3.0米，起飞重量约198吨，起飞推力约240吨，可实现太阳同步轨道3吨运载能力。
本次飞行试验搭载了海南一号01和02星、大运号（星时代-17）卫星、文昌一号01和02星、泰景三号01星等22颗商业卫星，主要用于对地观测、低轨物联网通讯、空间科学试验，可提供资源调查、合成孔径雷达数据支持、物联网分散终端数据采集、在轨科学试验和技术验证、海南及环省海域船只信息收集处理等服务。
屠海超 摄
如何能在有限的整流罩空间里，让22颗卫星“坐”得舒服，又能安全、准确“下车”？记者从一院了解到，长八火箭设计团队采用了全新的“三层式多星分配器”结构，并对卫星分离安全性进行充分设计。
给22名“乘客”提供三层“座椅”
据一院长八火箭副主任设计师陈晓飞介绍，此次发射的22颗卫星形状各异，其中多个卫星尺寸较大，因此在布局时，首先考虑如何有效利用整流罩内空间包络。
结合任务需求，设计团队对传统卫星结构进行梳理，最后设计出新的“三层式多星分配器”，为“乘客”提供三层“座椅”。“三层式多星分配器”从下到上分别由锥形支架、中心承力筒和圆盘平台组成。其中，锥形支架搭载2颗卫星，中心承力筒搭载14颗卫星，圆盘平台搭载6颗卫星，完美将22颗卫星装进整流罩中。
“在分配器结构设计上，我们采取‘模块化’设计，将现有的、成熟的结构拼接在一起形成新的结构形式，达到‘1 1>2’的效果，同时节省了设计时间，提高研制效率，能快速满足卫星方发射的需求。”一院长八火箭总体副主任设计师于龙介绍，多星分配器最下层的锥形支架，设计团队沿用的是长八遥一运载火箭的结构；中心承力筒也是成熟的结构，能够尽可能利用整流罩的空间，在侧壁多挂卫星。对一些直径较大、不适合侧挂的卫星，设计团队则在中心承力筒上方新设计了一个圆盘平台，让大直径卫星安装操作更简洁，分离方向上也没有其他卫星去干涉。于龙表示，“一般来说，一个新的结构从出图到生产，需要至少一年多时间。我们通过‘模块化’设计，在半年不到的时间就生产出来了多星分配器。”
在整流罩有限的空间内，卫星数量越多，星和星的间隙肯定就越小，在对接操作时的难度也就越大。在设计之初，设计团队就对现场工装设备、人员操作位置等进行考虑，将卫星安装操作可达性纳入分配器结构设计中。
为了方便安装操作，设计团队专门在圆盘平台中间开了个孔，方便操作人员进入，并通过星箭联合操作试验，不断调整卫星安装操作的顺序及布局的位置，确保操作人员真正上箭操作的安全性。
分批次“下车”更安全
这22颗卫星，分离时会不会碰撞？进入预定轨道飞行时会不会碰撞？要让这些“乘客”能够安全准确“下车”，设计团队需要考虑的问题也不少。
首先要考虑的是卫星近场分离的安全性。于龙介绍，卫星到天上后要离开箭体，在这个过程中，卫星的动力源和解锁方式会有一些偏差，不是想象中的静态安装位置在哪里，分离过程中就一定在这个范围内不晃荡。某些时候这些小偏差会使得卫星与卫星之间距离缩小，威胁到箭体的安全。
根据卫星不同的分离机构，设计团队结合实际卫星布局位置，对所有的箭体和卫星偏差进行多轮仿真计算，让各卫星之间保留一定近场分离过程中的动态间隙，保证近场分离安全性。
“卫星数量越多，分离出去后在轨道飞行碰撞的风险就越大，远场分离安全性也是设计人员需要考虑的重点。”一院长八火箭轨道设计师李静琳介绍，分离速度、分离方向、分离顺序是影响卫星后续运动轨迹的关键因素。在这次卫星数量如此之多的情况下，要在有限的外界分离轨道将22颗卫星错开，避免两两卫星之间干涉，对设计人员来说有不小的挑战。
22颗卫星加上一个火箭末级就是23个分离体，为了保证彼此之间分离的安全性，设计团队计算分析每一颗卫星运行的轨道参数，对23个分离体两两之间的相对距离进行长周期的仿真、观察和考核，并根据卫星布局，设计分离方案，最终采取了12次分离动作，依次将22颗卫星逐步分离出去，并通过不断调整末级箭体的姿态，实现不同卫星的分离方向调整，确保各个卫星近远场安全。
在分离动作设计过程，要对23个分离体两两之间的相对距离进行分析，计算量非常大。同时，在火箭调姿过程中，为了满足天基可见的要求，要保证箭体调姿角度不能过大，对设计也增加了难度。李静琳介绍，这是一个相当于多个对象、多种约束、长周期的、需要通过多轮迭代解决的一个优化问题，远场分离计算量比以往翻了好几倍。
面对巨大的计算量，设计团队专门研制了一个“多星远场分析工具”。“通过采用这个分析工具之后，我们通过一次仿真，就可以自动完成23个分离体各自的速度位置计算，以及两两之间相对位置的计算，不仅大幅提高了计算效率，而且提高了远场分析的准确性。”李静琳说。
虚实结合模态试验技术助力首飞
本次任务是长征八号火箭不带助推器的新构型首飞。
长征八号在充分继承长征系列运载火箭设计经验的基础上，没有开展全箭模态试验，是我国首个在研制中基于模块化模态试验结果，同时结合虚拟试验给出全箭模态参数的中大型火箭。从长征八号遥一火箭首飞，到此次新构型遥二火箭首飞的圆满成功，虚实结合模态试验技术均发挥了重要作用。
中国航天科技集团一院供图。宋涛摄
记者从一院了解到，长征八号采用“模块化、系列化、组合化”的设计思路，一级和助推沿用了长征七号一级和助推结构，二级沿用了长征三号乙三级结构。为了实现火箭快速集成研制，试验人员在充分利用长七一级/二级飞行/靶场竖立、长七甲一级/二级/三级飞行/靶场竖立、长三乙三级飞行共30余个状态模态试验结果的基础上，通过虚实结合——已有试验和仿真分析相结合，在不开展全箭模态试验的条件下，获取了全箭模态参数。
一院702所副总设计师朱曦全介绍，在研制过程中，为了获取长征八号的模态参数，为其姿态和导航控制提供重要的设计依据，试验团队按照三维动力学建模建立了全箭模型，通过长七（长七甲）一级/二级模态试验结果修正得到了芯一级加助推的模型，参照长三乙模态结果得到了二级的模型，并首次建立了发射平台模型。在制定实施靶场竖立状态模态试验中，采用新方法完成了我国首次在该状态下的模态激振和振型斜率采集，进而修正确认了有限元仿真模型的正确性，这也是模态综合技术在我国运载火箭研制中的首次应用。
朱曦全表示，经过验证，在充分的部段试验及组合状态试验的基础上，模态综合技术的结果是合理可信的，可以应用于型号首飞及后续发射，这种方法还可为未来重型运载火箭的研制提供借鉴。
来源： 科技日报
,
