新星耀丝路 神箭展新姿——长三乙火箭成功发射“老挝一号”

文章来源:中国航天报 发布时间:2015-11-26

太阳翼准备展开(南勇/摄)

/11月21日,随着老挝一号通信卫星的发射成功,海上丝绸之路上空又多了一颗新星,守护着太空信息走廊。这颗卫星不仅对老挝而言很“新”,对中国航天来说也很“新”。

集成化、轻量化

东方红家族添“新丁”

11月11日,在西昌卫星发射中心测试大厅里,约5米高的老挝一号通信卫星金装灿灿,正与悉心培育它3年多的“家长们”做最后的道别。当天,老挝卫星将完成星箭合璧。

卫星东西两侧,两个天线已经收拢起来,只待飞抵太空后完全展开,像两只顺风耳一样迎送八方信号;南北两侧,两块太阳翼折叠后,平整地贴在卫星身上……单从外观来看,它与采用了东方红四号卫星平台的亚太九号通信卫星胖瘦无异,仅仅矮了半米。

“东方红四S卫星平台(简称东四S平台)具备‘小而精’的特点,很好地满足了中等容量、高技术指标的国际用户需求。”老挝一号通信卫星总指挥周志成说,老挝卫星装有22路转发器,重量仅有4吨,使用寿命却长达15年,所以选择了东四S平台。

那么,东四S平台是如何让老挝卫星变得更小、更强、更聪慧的呢?

在东四S平台8个分系统组成的标配中,综合电子系统、电推进分系统都是首次在我国通信卫星平台上采用。其中,电推进分系统是可剪裁配置,可以根据有效载荷重量、卫星寿命要求以及采用的运载火箭类型决定是否采用。不配置电推进分系统,卫星可承载450千克载荷,服务寿命达15年;配置电推进分系统,则可以将载荷重量增至600千克。

老挝卫星载荷重约300千克,所以没有配置电推进分系统。但该系统的单机、分系统及系统集成技术都已被攻克。首颗配置电推进分系统的国产通信卫星预计于2017年初发射。

要说采用了东四S平台的老挝卫星与其他通信卫星最大的区别,当属使用了新一代综合电子技术和锂离子电池技术。其中,创新的综合电子技术将东四平台中25台设备才能实现的功能集成在了5台设备上,使卫星不仅瘦身65千克,而且“体魄”更强了。

在其他通信卫星上,星务和控制要靠两台计算机的“大脑”来完成。老挝卫星上,一台“最强大脑”就可以完成这两部分功能。这台“大脑”的软件还有“安全卫士”的功能,可以智能检测到星上的异常,并快速对故障进行处理,最大程度保证卫星通信正常。

为了确保卫星连续工作15年的燃料,研制团队还设计研制了1米见方、国内直径最大的贮箱,能装1吨多推进剂。贮箱重量只有60多公斤,壳体壁厚与公交IC卡相当,减重10%以上,寿命却达到了18年以上。这是目前国际上最薄、最长寿的贮箱。而锂离子电池的使用又使卫星瘦身大约80千克。“东四S平台设计的宗旨就是要实现集成化、轻量化,提高卫星承载比。”老挝一号通信卫星总设计师李峰说。

填补断层

坚持走国产化之路

“东三卫星平台的发射重量是2.3吨,东四卫星平台的发射重量是5.1吨,中间出现了一个断层。最初决定研制东四S平台,就是为了填补这一能力空缺。”李峰说。

2009年,东四S平台获国家批复立项了。该平台在最初设计时,兼顾了通信卫星和导航卫星的应用需求。只是在后来转入正样卫星研制后,导航卫星才根据自己的任务要求进行了局部更改。这样,新一代北斗导航卫星与老挝一号通信卫星始出一家。

“既要站在东四平台的肩膀上,又要有新的突破。”据李峰介绍,东四S平台的部分平台和载荷直接继承了“哥哥”东四的成熟产品,结构与东四大同小异,“中心承力筒+壁板”构成了其强壮的骨骼,把整个平台分割为5个模块。

但东四平台研制较早,有些技术慢慢变得陈旧,尽管在过去10多年里也经历了多次改进,但毕竟是小修小改。“借助于东四S平台开发,对星上的电子设备进行一次系统的更新换代。”李峰说。因此,对于东四S平台上的另外41台单机,研制团队决定采用新研发或者技术改进比较大的产品。

目前,国际上备受先进卫星平台青睐的综合电子、锂离子电池以及电推进技术,被东四S平台迎为“座上宾”。但是,由于国产锂电池还没有在高轨环境下使用过,一时内部出现了争议。部分人甚至建议在老挝卫星上引进国外的锂离子电池。

李峰态度坚决。他与电池研制单位一起攻坚克难,把国产锂离子电池与国外产品进行全面分析比对,最后得出结论:“国产锂离子电池的设计理念和参数指标已经达到了国际先进水平,缺少的只是飞行经验。如果地面验证充分,完全满足飞行要求。”

事实证明,李峰的这个坚持是对的,已经上天的新一代北斗导航卫星采用的就是国产锂离子电池。这看似一小步的前进,对国产锂离子电池的发展却有着划时代意义。

卫星测试 (南勇/摄)

不兼容、难验证

新技术带来大难度

与先进性相伴的往往是复杂性。

在东四S平台初样阶段,老挝卫星研制团队做了一颗电性星和一颗结构热控星。花了两年时间对电性星进行了历时三轮、长达1000多个小时的加电测试,又在结构热控星上做了两次整星力学试验和一次热试验。“着实发现了不少技术问题。”老挝一号通信卫星总体主任设计师吕红剑说。

例如,综合电子分系统中采用了多种专用电子集成电路芯片。在初样研制前期,该芯片尚未研制出来,整体工作又必须同步开展,于是研制团队就采用了模拟电路。当初样研制后期把芯片真正装进去后,原来没有暴露出的电磁兼容问题,此刻显现了出来。

为此,研制团队又花了数月时间,重新设计接口电路、反复测试,直到解决问题。

“这类新技术带来的反复性工作是必不可免的。”吕红剑说,“我们要做的是尽可能‘创造条件’做好每一步验证,让未实践过的技术和产品变得可靠。”

在东四S平台研制中,研制团队还开展了我国首次整星级的电推进试验,即把整颗电性星放在真空罐里,进行真空点火试验。推力器设计符不符合要求、电推进分系统对整星匹不匹配、对其他分系统会产生什么样的影响,这些都得到了全面验证。

吕红剑表示,对于东四S平台来说,新的硬件做起来很难,软件则更难。由于“大脑”的软件都是新研发的,验证难度非常大。研制人员用鉴定件搭建起类似于正样星的验证平台,花了半年时间反复进行软件测试。现在看来,这项工作还是卓有成效的。

“要说难,所有验证新技术的大型试验都很难,很多都是开创性的。”吕红剑说,工作任务重时,他们经常是每天只睡四五个小时。尽管总设计师李峰坦言自己不主张节假日加班,但面对相当于成熟平台1.5倍的工作量,研制团队节假日加班加点还是成了常态。

因为前期工作做得充分,2012年年底平台转入正样后,研制团队顿觉豁然开朗。使用该平台的老挝卫星实现了发射场“零”问题,卫星载着中老两国友谊顺利升空,他们无疑笑得最灿烂。

技术储备

“东五”将跃居国际领先水平

“东四S平台的重大意义在于验证卫星平台新技术。它的研制成功标志着我国卫星平台技术性能已全面与国际先进水平接轨。”李峰说,“过去我国通信卫星平台始终是瞄着国际先进水平,追赶着发展,如今东四S平台整体性能已经基本跟国际先进水平持平了。”

据了解,东四S平台所采用的电推进、综合电子和锂离子电池技术都达到了国际领先水平,这些新技术都将在东四增强型和东五平台上直接应用。另外,一批技术人才在迭代解决问题中得到了锻炼,他们将成为东五平台研制中的中流砥柱。

“东五平台的所有新技术几乎都在东四S平台研制过程中得到了储备,研制成功后将在国际上处于领先水平,使我国通信卫星平台研制从跟踪发展转向领先发展。”李峰说。

据东五平台研制团队相关负责人介绍,东五平台采用桁架结构、分舱连接技术与结构单元技术,设计了基本型、全化学型、全电推型、遥感型以及扩展型,可满足未来多种需求。基于东五平台的卫星将来可以用长五火箭发射,也可以用长三乙火箭发射。

长三乙火箭在飞行中,轨道倾角由28.5 度变为18.4度,充分释放了火箭的潜力。(丁洁/制)

/在发射老挝一号通信卫星时,长三乙火箭在三级飞行中突然改变了姿势,以矫健身姿将轨道倾角大幅度压低。压低后的轨道倾角为18.4度,与长三乙火箭发射标准地球同步转移轨道卫星的倾角相比,低了10度多。

“一般情况下,长三乙火箭发射的标准地球同步转移轨道卫星的倾角为28.5度,卫星入轨后要靠自身能量变轨至地球同步静止轨道,该轨道的倾角为0度。”长三乙火箭弹道主管设计师李重远介绍说。

由于老挝一号通信卫星重约4吨,低于长三乙火箭5.5吨的标准地球同步转移轨道运载能力。为了更好地实现星箭配合,充分释放火箭的潜力,火箭研制团队在弹道设计迭代偏航程序角上进行了改进。

“在运载能力有富余的情况下,出于为客户提供更优质的发射服务考虑,设计上可以抬高卫星入轨点的远地点高度,或者压低轨道倾角,或者两者兼具。”长三乙火箭总指挥岑拯说,这样可以为卫星节省几百公斤的燃料,提高卫星的在轨使用寿命。

看似小小的改变,对研制团队来说设计及试验验证工作却大大增加了。

其实,长三乙火箭就是针对国际商业发射市场而研制的。根据卫星需求作出调整、始终走在前端是其生存之道。

据一院国际合作处处长孟翔介绍,上世纪90年代,国际主流通信卫星重量增加,卫星发射服务市场出现了发射能力严重不足的情况。当时,长三乙火箭根据市场需求展开研制。

研制成功后,长三乙火箭两年半内连发5次,创造了商业发射服务的小高潮。在这个过程中,火箭团队里的一批国际化人才逐渐成长起来,开始参与相关国际标准的制定。

随着国际主流通信卫星的重量发展,2007年,长三乙火箭通过结构调整,将地球同步转移轨道运载能力从5吨提高至5.5吨。其大运载能力也为国产通信卫星的发展提供了支撑。

美国严格限制包含美国技术的卫星进入中国发射后,国产卫星针对发展中国家市场,采用星箭捆绑、在轨交付等新模式,重新吸引了客户的关注,也帮助了长三乙火箭重拾国际市场。

火箭吊装(谢奇勇/摄)

“我们的技术水平不比国外差,而且还有成本优势。用户更看重的是发射成功率、发射成本和合同履约的及时性。”岑拯说。为此,在过去的三个“五年”中,他们不断挖掘自身的潜质,采用自动化、产品化和冗余设计的方法,提高产品成熟度、可靠性和交付准时性。

长三乙火箭研制团队非常重视产品化工作,通过降低原材料、零部组件、单机、部段的品种和规格,不断提高产品的通用性。“如今的长三乙火箭,可以做到90%的产品互换,火箭与火箭之间实现了部段互换,将来还要做到整箭互换,即99.9%互换。”岑拯说。

为了提高产品的可靠性,研制团队在火箭控制系统上下足了工夫,对很多器件实行主从冗余设计。例如,激光惯导、箭载计算机均实现了主从两台冗余,或“3取2”冗余。发动机连接件在原材料等方面也进行了改进,通过增压输送线路更是实现了三路冗余……

近年来,面对高密度发射,相关研制单位又把目光放在了自动化上,对火箭单机产品进行仿真建模,方便了数据判读;很多工序实现了手工作业到自动化作业的转变,例如焊接、铆接、机加工。目前,长三乙火箭实现了年发射量近10发,但依然有“吃不饱”的感觉。

“未来,随着卫星个头的增大,长三乙火箭目前的运载能力将不再能满足需求。为此,我们将继续提升能力。”岑拯介绍说。

如今,新一代大推力液氧煤油发动机已经研制成功,未来,研制团队将考虑采用无污染推进剂,随之而来的是对火箭电器系统等的重新设计。他们还将采用信息化手段,实现智能测试、远程判读。“目前,我们正在开展相关的论证工作。”岑拯说。长三乙始终“在路上”迎接国际“乘客”。

至今,我国共进行了42次国际商业卫星发射,发射卫星48颗,另外还有10次卫星搭载服务。其中,长三乙火箭承担的发射次数就有19次。尤其是近年来,长三乙火箭承担了我国九成以上商业卫星发射服务,还担起了北斗导航卫星、嫦娥三号探测器以及其他国内地球同步轨道卫星的发射任务。(贺喜梅)