长征十一号固体运载火箭全方位扫描

文章来源:中国航天报 发布时间:2015-09-25

一问:为谁而生?

“长十一”这枚小型固体火箭的诞生,是小卫星蓬勃发展、快速响应航天概念的提出和固体动力技术进步共同牵引的结果。

小卫星,通常是指重量为500公斤以下的卫星。我国现役运载火箭系列中,运载能力要求至少要达到3吨,因此,单独发射小卫星必然造成运载能力的浪费,不够经济。

小卫星通常需要寻求搭载发射,而搭载发射多颗卫星的最佳工作轨道可能难以统一,卫星间的结构协调和电磁兼容也是需要解决的问题,这就制约了搭载发射的选择范围。因此,经济型小型火箭的研制需求越来越旺盛。

同时,应对突发自然灾害等应急型任务的需求也催生了快速响应航天技术的发展。应急卫星需要实现快速集成总装和快速在轨测试,从而实现快速响应发射。“长十一”的研制目的之一就是为了满足快速响应航天任务的需要,实现24小时快速发射。

再者,捆绑大型固体助推器是世界各国构建大型运载火箭、丰富运载火箭型谱的常见技术途径。

“长十一”一级采用的120吨推力固体火箭发动机是我国目前最大的固体发动机。大型宇航固体发动机技术在“长十一”的飞行中获得验证后,可发展出用于液体运载火箭的捆绑固体助推器,固体动力技术在宇航发射领域的应用范围将极大扩展,整个长征系列运载火箭家族都会因此受益。

二问:为什么是“新一代”?

“长十一”使用了新型无毒推进剂,扩展了运载能力范围,采用了新技术和测发模式,与“长五”“长六”“长七”共同组成新一代运载火箭家族。

我国上一代运载火箭均使用偏二甲肼-四氧化二氮作为基础级推进剂。这种散发着刺鼻鱼腥味的推进剂是有毒的。加注员需要穿戴厚重的防化服和防毒面具才能进行操作。

我国新一代运载火箭使用的是无毒推进剂,包括液氧、液氢、煤油、过氧化氢以及固体推进剂,对操作人员危害小,安全性相对较好,同时降低了对环境的污染。“长十一”采用的固体推进剂由黏合剂、氧化剂、金属粉末等组成,对操作者无害,可长期贮存,发射操作简便。

一般来说,长征五号被称为新一代大型运载火箭,长征七号被称为新一代中型运载火箭,而长征六号、长征十一号则是新一代运载火箭中的“小液”和“小固”。

新一代运载火箭性能涵盖了“大、中、小、快”,是一个型谱完整的家族,各成员在家族中各居其位,共同实现对航天运载能力需求的全覆盖。

在当今卫星技术的发展中,小卫星是重要一环。“长十一”能够将350公斤的卫星直接送入700公里太阳同步轨道,在新一代家族中担负着扩展发射能力范围的任务。

运载火箭的测发模式与其发射准备时间和发射工位占用时间密切相关。除长征二号F型火箭外,我国上一代运载火箭采用的都是分级转运、垂直总装、垂直测试的模式,发射准备时间和工位占用时间较长。

新一代运载火箭均采用整体转运、整体测试的测发模式,发射准备时间和工位占用时间大为缩短。其中,“长五”“长七”采用垂直总装、垂直测试、垂直转运的“三垂”模式,“长六”“长十一”采用水平总装、水平测试、水平转运的“三平”模式。

固体动力的特点和“三平”模式的应用使“长十一”具备在24小时内完成测发的能力,因此,“长十一”是新一代运载火箭家族中发射准备时间最短的成员,是名副其实的“快响先锋”。

三问:为什么是四级火箭?

“长十一”要在较高的太阳同步轨道实现要求的运载能力,同时考虑起飞重量限制,因此需要采用四级火箭。

一般来讲,火箭的公路整体运输能力界定了火箭起飞重量的上限。“长十一”在起飞重量的限制下,要实现运载能力的要求就必须具有与现役液体运载火箭相当甚至更高的运载系数。

粗略来讲,对于低轨道,二级液体火箭的运载系数与三级固体火箭相当。而对于较高的太阳同步轨道,三级液体火箭的运载系数至少需要四级固体火箭才能达到。因此,国际主流的固体火箭多是三级或四级火箭,如三级的艾普斯龙火箭、金牛座火箭,四级的起跑号火箭等,级数的选择与设计目标轨道有关。

具体到“长十一”,其700公里太阳同步轨道运载能力指标为350公斤,要在这个较高的太阳同步轨道达到要求的运载能力,同时考虑起飞重量,就需要采用四级火箭。

“长十一”的第四级火箭类似于发射地球同步轨道卫星使用的远地点发动机,火箭前三级将第四级和卫星送入一个与目标轨道相交的过渡轨道并开始滑行,当到达目标轨道高度后,第四级发动机点火,最终送卫星入轨。

四问:发射最快有多快?

按照设计要求,“长十一”的发射准备时间在24小时内,而实践证明,其可以实现比规定时间更短的快速发射。

“长十一”的设计指标中有“发射准备时间不大于24小时”的要求,设计师们为了实现这项指标,从测发流程、对接操作、电气设备一体化等方面进行了有针对性的设计工作,包括使用“三平”测发模式简化发射场操作、推进电气设备集成化减少测试项目等。

“长十一”快速发射的最短时间可不是算出来的,是经过了实战检验的。去年7月,火箭用户方在发射场为“长十一”摆开了考场。

火箭演练模拟了全箭贮存、总检查测试、星箭对接、星箭联合体整体转运、发射的全测发流程,令人振奋的是,整个演练流程只用了十几个小时。这表明“长十一”24小时快速发射能力通过了真实验证,是有充足把握能够实现的。随着火箭成熟度和可靠性的提高,“长十一”的快速发射能力还有较大的提高空间。

五问:如何实现应急发射?

“长十一”的自主移动测试发射平台,可以大大减少火箭发射对地面设施的依赖,实现快速、自主测试发射。

在“长十一”的发射工位内,没有高大的勤务塔和脐带塔,没有深深的导流槽,甚至连支撑火箭的发射台都没有,只有一片貌不惊人的水泥场坪。为什么发射工位如此简单?这归功于“长十一”的自主移动测试发射平台。

自主移动测试发射平台可实现星箭组合体的整体运输,为卫星提供环境保障,满足火箭的射前测试、垂直起竖和快速发射需求。有了自主移动测试发射平台,辅以必要的辅助通信指挥车辆,可以大大减少火箭发射对地面设施的依赖,可灵活地选定发射地点,降低固定发射工位、火箭残骸落区对卫星轨道的制约,实现快速、自主测试发射。

有了自主移动测试发射平台,无论在运输装填流程,还是在测试和发射准备过程,火箭和卫星都会得到良好的环境保障,不会受到雨雪沙尘和高低温等恶劣天气的影响,具备全天候发射能力。

但真正实现无依托发射,不仅需要破解发射方式这一技术限制,还要摆脱另一条无形绳索的束缚——地面测控网。

因为火箭全程飞行都是在测控系统的监测下进行的,地面测控台网的覆盖范围限制了发射点和发射弹道的选择。为了剪断这条看不见的绳索,设计师为“长十一”专门配置了天基测控能力。火箭通过天基测控天线将测控数据传向位于地球同步轨道的天链中继通信卫星,再转发回地面,这就可以完成对我国及周边地区发射轨迹的天基全覆盖,实现火箭哪里起飞、测控网络就覆盖到哪里的美好愿景。

有了遍行神州的发射方式,再加上覆盖天下的测量网络,“长十一”真正担当起运载火箭中“快响利箭”的头衔。

六问:有哪些竞争优势?

实用的运载能力、通用的星箭接口、快捷的发射操作使“长十一”具备了独特的竞争优势。

“长十一”数百公斤级的近地轨道运载能力虽然是我国新一代运载火箭家族中最小的,但可满足80%以上小卫星的发射需求,而且其发射小卫星可以省去搭载发射需要解决的轨道协调、结构协调、电磁兼容协调等问题。

“长十一”能够为小卫星提供最优化、最灵活的发射服务,使小卫星也拥有主载荷享有的优先权,获得个性化订制服务。再加上“长十一”独有的灵活选择发射地点的能力,可以把卫星送入一些受制于现有发射场的测控、落区范围而难以到达的目标轨道。“长十一”的出现可以大大拓展我国小型航天器的应用范围。

同时,“长十一”使用标准的星箭接口。接口的标准化使火箭能够适应不同卫星的任务需求,减少星箭接口匹配的工作量。标准接口具有的互换性也为“长十一”在各种快速应急任务中灵活地匹配不同类型的有效载荷提供了便利。

“长十一”的独门绝技是24小时发射准备时间和机动发射带来的快速响应能力。因此,其不仅能担负常规的小卫星发射任务,也能在自然灾害等应急条件下迅速提供航天发射支援。

得益于固体推进剂的长期贮存能力,因此,依托“长十一”可以建立一支滚动贮存、兼容常规的航天快速响应力量。这支力量可以快速灵活地对应急事态做出响应,按任务需求将具有相应任务能力的卫星快速送入轨道,还可以有计划地承担常规的小卫星发射任务,从而锻炼操作队伍,将贮备的火箭资源充分利用,最终形成常备化贮存、常规性发射、定期性更新的有序循环。

“长十一”的发射场地简单、测发操作便捷的优势,也使其能够在复杂恶劣的条件下充当“招之即来、来之能射”的可靠的航天运载“卫士”。

七问:首飞运载什么星?

“长十一”首飞共搭载了4名“乘客”,主星是浦江一号,另外3颗是微小卫星。

浦江一号卫星非常有特色。它首次采用了全数字化设计技术、通用化即插即用技术、柔性化结构设计等技术,实现了卫星1个月完成集成测试、1个星期完成发射准备、1天完成在轨交付的目标,为卫星的快速研制和应用奠定了坚实的基础。浦江一号可以实现面向用户订制的快速便捷综合信息服务,可以快速按需配置对地观测、大气环境监测、通信等有效载荷,满足突发事件的应急响应需求,为国民经济建设、防灾减灾、救援抢险发挥重要作用。(姚天宇 高云逸)