北京時間2022年2月27日11時06分，由中國航天科技(000901)集團有限公司所屬中國運載火箭技術研究院（以下簡稱“火箭院”）抓總研制的長征八號遙二運載火箭（以下簡稱“長八遙二火箭”）在海南文昌航天發(fā)射場點火起飛，隨后將托舉的22顆衛(wèi)星分別順利送入預定軌道，發(fā)射任務取得圓滿成功，創(chuàng)造了我國一箭多星發(fā)射的最高紀錄。

長征八號遙二運載火箭在海南文昌航天發(fā)射場點火起飛。國家航天局（攝影屠海超）

據(jù)了解，此次成功送入預定軌道的 22 顆衛(wèi)星為：泰景三號01衛(wèi)星、泰景四號01衛(wèi)星、海南一號01/02星、文昌一號01/02星、吉林一號高分03D10-18星（9顆）、吉林一號MF02A01星、巢湖一號衛(wèi)星、創(chuàng)星雷神號衛(wèi)星、天啟星座19星、星時代-17衛(wèi)星、啟明星一號衛(wèi)星、西電一號衛(wèi)星。

不帶助推器的新構型實現(xiàn)首飛

2020年12月22日，長征八號運載火箭以“一箭5星”的方式首飛成功，作為我國新一代主力中型運載火箭，將我國太陽同步軌道運載能力從3噸提升至4.5噸，填補了新一代運載火箭的能力空白。至此，長征八號運載火箭也將可承擔80%以上的中低軌發(fā)射任務。

此次長八遙二火箭的發(fā)射，是新一代運載火箭在2022年的首次飛行，也是型號不帶助推器的新構型首飛。

不帶助推器的新構型實現(xiàn)首飛。圖源中國運載火箭技術研究院

火箭院長征八號火箭副主任設計師陳曉飛說，與遙一火箭相比，長八遙二火箭外形上最大的區(qū)別就是取消了兩個助推器，從兩級半構型變成了兩級串聯(lián)構型。因采用了“模塊化”“組合化”的設計思路，自成功首飛到遙二火箭完成總裝總測、具備出廠條件，研制團隊僅用了1年時間。遙二火箭無需進行大規(guī)模更改，只需針對載荷、飛行軌道進行適應性調(diào)整，就能高效地滿足任務要求。

事實上，在長八火箭設計之初，研制團隊就已經(jīng)兼顧了有助推器和沒有助推器兩種狀態(tài)。據(jù)火箭院長八火箭項目辦胡輝彪介紹，這次任務可以檢驗新構型的正確性、協(xié)調(diào)性和匹配性，對開拓中型主力火箭市場具有重要意義。長八遙二火箭雖然“一箭22星”，但載荷總計只有不到2噸，“光桿”新構型的能力在3噸級，完全能夠滿足載荷要求。同時，此次任務時間緊張，減少兩個助推器，可以緩解生產(chǎn)、總裝和測試的壓力，讓研制周期縮短、研制成本降低。

在確定火箭任務載荷時，長八火箭團隊把將視線轉移到了小衛(wèi)星上。據(jù)了解，截至去年年底，我國國內(nèi)注冊的衛(wèi)星單位有80多家，其中小衛(wèi)星占據(jù)了主要份額，在未來的商業(yè)市場上具有非常大的潛力。

長八遙二火箭同時還是一發(fā)“共享火箭”。圖源中國運載火箭技術研究院

胡輝彪說，一次任務如果只發(fā)射一顆三四百公斤的小衛(wèi)星，對于長八火箭的能力來說未免太浪費。為此，長八火箭團隊提出“共享發(fā)射”新模式，多個小衛(wèi)星“拼車”完成任務，即可充分發(fā)揮火箭能力，又有效滿足市場需求。他認為，此次新構型的首飛也將為長八火箭積累成功子樣，推動型號走向成熟，為后續(xù)進入航天發(fā)射主戰(zhàn)場打好基礎，鞏固長征八號在商業(yè)航天領域的主動權和主導權。

整流罩高度從8米縮短到5.4米。圖源中國運載火箭技術研究院

記者了解到，本發(fā)火箭的整流罩高度也從8米縮短到5.4米，使得全箭關鍵部位的受載降低了。為什么要更換更短的整流罩？陳曉飛介紹，從技術層面來看，這次任務的衛(wèi)星體積較小，重量沒有那么沉，不需要用長八遙一火箭那么大的整流罩。另外，從氣動外形來說，短一點的整流罩可以降低載荷，放寬火箭發(fā)射放行條件，提高火箭發(fā)射概率，為后續(xù)高密度發(fā)射奠定基礎。

提供三層“座椅”，22顆衛(wèi)星順利“上車”

如何能在有限的整流罩空間里，裝下這么多位“乘客”？長八火箭整流罩直徑為4.2米，在有限的空間內(nèi)，要實現(xiàn)一箭發(fā)射22顆衛(wèi)星，第一步是要把這些衛(wèi)星合理布局在整流罩里。

火箭院長八火箭副主任設計師陳曉飛介紹，一箭發(fā)射22顆衛(wèi)星以前在國內(nèi)是沒有的。由于每顆衛(wèi)星形狀各異，且有多個衛(wèi)星尺寸較大，所以在最開始進行布局時，首先考慮的是如何有效利用整流罩內(nèi)空間包絡。

提供三層“座椅”，22顆衛(wèi)星順利“上車”。圖源中國運載火箭技術研究院

結合任務需求，設計團隊對傳統(tǒng)的衛(wèi)星結構進行梳理，最后設計出新的“三層式多星分配器”，為“乘客”提供三層“座椅”。“三層式多星分配器”從下到上分別由錐形支架、中心承力筒和圓盤平臺組成。其中，錐形支架搭載2顆衛(wèi)星，中心承力筒搭載14顆衛(wèi)星，圓盤平臺搭載6顆衛(wèi)星，完美將22顆衛(wèi)星裝進整流罩中。

火箭院長八火箭總體副主任設計師于龍說，多星分配器最下層的錐形支架，設計團隊沿用的是長八遙一運載火箭的結構；中心承力筒也是成熟的結構，能夠盡可能利用整流罩的空間，在側壁多掛衛(wèi)星。對于一些直徑較大、不適合側掛的衛(wèi)星，設計團隊則在中心承力筒上方新設計了一個圓盤平臺，讓大直徑衛(wèi)星安裝操作更簡潔，分離方向上也沒有其他衛(wèi)星去干涉。

“在分配器結構設計上，我們采取‘模塊化’設計，將現(xiàn)有的、成熟的結構拼接在一起形成新的結構形式，達到‘1+1>2’的效果，同時節(jié)省了設計時間，提高研制效率，能快速滿足衛(wèi)星方發(fā)射的需求。”于龍說，“一般來說，一個新的結構從出圖到生產(chǎn)，需要至少一年多時間。我們通過‘模塊化’設計，在半年不到的時間就生產(chǎn)出來了多星分配器?！?/p>

衛(wèi)星雖然能裝進整流罩，但在有限的空間內(nèi)，衛(wèi)星數(shù)量越多，星和星的間隙肯定就越小，在對接操作時的難度也就越大。在設計之初，設計團隊就對現(xiàn)場工裝設備、人員操作位置等進行考慮，將衛(wèi)星安裝操作可達性納入分配器結構設計中。

為了方便安裝操作，設計團隊專門在圓盤平臺中間開了個孔，方便操作人員進入，并通過星箭聯(lián)合操作試驗，不斷調(diào)整衛(wèi)星安裝操作的順序及布局的位置，確保操作人員真正上箭操作的安全性，讓22顆衛(wèi)星能順利“上車”。

長征八號遙二運載火箭升空。中國運載火箭技術研究院（攝影宋濤）

采用12次分離動作，幫助“乘客”安心“下車”

這22顆衛(wèi)星，分離時會不會碰撞？進入預定軌道飛行時會不會碰撞？……“座椅”有了，衛(wèi)星順利裝進了整流罩，但要讓這些“乘客”怎樣才能安全準確“下車”？設計團隊首先要考慮的是衛(wèi)星近場分離安全性。

于龍介紹，衛(wèi)星到天上后要離開箭體，在這個過程中，衛(wèi)星的動力源(600405)和解鎖方式會有一些偏差，不是想象中的靜態(tài)安裝位置在哪里，分離過程中就一定在這個范圍內(nèi)不晃蕩。某些時候這些小偏差會使得衛(wèi)星與衛(wèi)星之間距離縮小，威脅到箭體的安全。

根據(jù)衛(wèi)星的不同分離機構，設計團隊結合實際衛(wèi)星布局位置，對所有的箭體和衛(wèi)星偏差進行多輪仿真計算，讓各衛(wèi)星之間保留一定的近場分離過程中的動態(tài)間隙，保證近場分離安全性。

“衛(wèi)星數(shù)量越多，分離出去后在軌道飛行碰撞的風險就越大，遠場分離安全性也是設計人員需要考慮的重點。”火箭院長八火箭軌道設計師李靜琳介紹，分離速度、分離方向、分離順序是影響衛(wèi)星后續(xù)運動軌跡的關鍵因素。但在這次衛(wèi)星數(shù)量如此之多的情況下，要在有限的外界分離軌道將22顆衛(wèi)星錯開，避免兩兩衛(wèi)星之間干涉，對設計人員來說是個不小的挑戰(zhàn)。

22顆衛(wèi)星加上一個火箭末級就是23個分離體，為了保證彼此之間分離的安全性，設計團隊計算分析每一顆衛(wèi)星運行的軌道參數(shù)，對23個分離體兩兩之間的相對距離進行長周期的仿真、觀察和考核，并根據(jù)衛(wèi)星布局，設計分離方案，最終采取了12次分離動作，依次將22顆衛(wèi)星逐步分離出去，并通過不斷調(diào)整末級箭體的姿態(tài)，實現(xiàn)不同衛(wèi)星的分離方向調(diào)整，確保各個衛(wèi)星近遠場安全，讓22顆衛(wèi)星安心“下車”。

在分離動作設計過程中，設計團隊也遇到了重重困難。要對23個分離體兩兩之間的相對距離進行分析，計算量非常大。同時，在火箭調(diào)姿過程中，為了滿足天基可見的要求，要保證箭體調(diào)姿角度不能過大，給設計團隊又增加了難度。

李靜琳介紹，這是一個相當于多個對象、多種約束、長周期的、需要通過多輪迭代解決的一個優(yōu)化問題，遠場分離計算量比以往翻了好幾倍。

面對巨大的計算量，設計團隊專門研制了一個“多星遠場分析工具”?！巴ㄟ^采用這個分析工具之后，我們通過一次仿真，就可以自動完成23個分離體各自的速度位置計算，以及兩兩之間相對位置的計算，不僅大幅提高了計算效率，而且提高了遠場分析的準確性?！崩铎o琳說。

虛實結合模態(tài)試驗技術助力新構型首飛

據(jù)介紹，長征八號運載火箭在充分繼承長征系列運載火箭設計經(jīng)驗的基礎上，沒有開展全箭模態(tài)試驗，是我國首個在研制中基于模塊化模態(tài)試驗結果，同時結合虛擬試驗給出全箭模態(tài)參數(shù)的中大型火箭，從首飛到新構型發(fā)射的圓滿成功，虛實結合模態(tài)試驗技術均發(fā)揮了重要作用。

在長征八號運載火箭采用的設計思路中，一級和助推沿用了長征七號一級和助推結構，二級沿用了長征三號乙三級結構。為了實現(xiàn)火箭快速集成研制，試驗人員在充分利用長七一級/二級飛行/靶場豎立、長七甲一級/二級/三級飛行/靶場豎立、長三乙三級飛行共30余個狀態(tài)模態(tài)試驗結果的基礎上，通過虛實結合——已有試驗和仿真分析相結合，在不開展全箭模態(tài)試驗的條件下，獲取了全箭模態(tài)參數(shù)。

航天科技集團一院702所副總師朱曦全指出，長八火箭在研制過程中，為了獲取長八火箭的模態(tài)參數(shù)，為其姿態(tài)和導航控制提供重要的設計依據(jù)，試驗團隊按照三維動力學建模建立了全箭模型，通過長七（長七甲）一級/二級模態(tài)試驗結果修正得到了芯一級加助推的模型，參照長三乙模態(tài)結果得到了二級的模型，并首次建立了發(fā)射平臺模型。

在制定實施靶場豎立狀態(tài)模態(tài)試驗中，采用新方法完成了我國首次該狀態(tài)下的模態(tài)激振和振型斜率采集，進而修正確認了有限元仿真模型的正確性，這也是模態(tài)綜合技術在我國運載火箭研制中的首次應用。

朱曦全表示，經(jīng)過驗證，在充分的部段試驗及組合狀態(tài)試驗的基礎上，模態(tài)綜合技術的結果是合理可信的，可以應用于型號首飛及后續(xù)發(fā)射，這種方法還可為未來重型運載火箭的研制提供借鑒。

新京報記者 張建林

編輯 劉茜賢 校對 趙琳

關鍵詞： 運載火箭