天鏈二號03星升空“中繼衛(wèi)星天團”陣容升級
2022-09-17 03:52鄧雨楠顧航瑜
太空探索 2022年9期
文/鄧雨楠 顧航瑜
7月13日，在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，長征三號乙運載火箭將天鏈二號03星送入太空。衛(wèi)星隨后準確進入地球同步轉(zhuǎn)移軌道，這標志著我國第二代地球同步軌道數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星成功組網(wǎng)運行，可具備滿足中低軌道航天器全球覆蓋的能力，并提供24小時無間斷通信。
隨著天鏈二號03星的成功發(fā)射，我國中繼衛(wèi)星數(shù)量增加至8顆，“中繼衛(wèi)星天團”陣容再次升級。
▲ 長征三號乙運載火箭發(fā)射天鏈二號03星。白肖飛 攝
“太空傳話烽火臺”又上新
自2008年4月天鏈一號01星成功發(fā)射，到2022年天鏈二號03星成功發(fā)射，我國天鏈中繼衛(wèi)星系統(tǒng)已經(jīng)形成了兩代中繼衛(wèi)星相互兼容、在軌協(xié)同組網(wǎng)工作的局面。
2008～2012年，我國先后發(fā)射天鏈一號01～03星，3顆衛(wèi)星實現(xiàn)組網(wǎng)運行，標志著我國第一代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)建成，開創(chuàng)了我國天基測控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男录o元。隨后，天鏈一號04星、05星陸續(xù)成功入軌并完成在軌測試，與天鏈一號01～03星實現(xiàn)全球組網(wǎng)運行。
中繼衛(wèi)星主要是服務(wù)于航天器的衛(wèi)星，通俗地講，就像是“衛(wèi)星的衛(wèi)星”。中繼衛(wèi)星被放置在距離地球3.6萬千米的同步軌道高度，它可以“居高臨下”觀測在中低軌道運行的航天器，為其提供天基測控服務(wù)，或?qū)@得的數(shù)據(jù)回傳至地面站。
“這個軌道高度的衛(wèi)星環(huán)繞地球一圈時間與地球自轉(zhuǎn)一圈時間恰好一樣，因而相對我們靜止。這樣就相當于在太空中擁有一座座‘傳話的烽火臺’，這些烽火臺之間也可以彼此通信，只需3顆就可以實現(xiàn)對地球所有點全覆蓋。”天鏈二號03星總指揮張鵬介紹。
“與第一代中繼衛(wèi)星相比，第二代中繼衛(wèi)星是一次躍遷式的升級?！碧戽湺?3星副總師李向陽介紹，天鏈二號03星與02星是“孿生兄弟”，技術(shù)狀態(tài)高度一致，在充分繼承天鏈二號01星研制過程中積累的成熟技術(shù)和研制經(jīng)驗的同時，進行了多項技術(shù)升級和優(yōu)化。
▲ 天鏈一號中繼衛(wèi)星服務(wù)神舟飛船
首先是擴大服務(wù)目標用戶數(shù)量。相比于“天鏈”一代衛(wèi)星，“天鏈”二代衛(wèi)星可以同時為多出幾倍的用戶提供服務(wù)，且覆蓋范圍更廣泛，可以實現(xiàn)為200千米至2萬千米軌道高度以內(nèi)的用戶航天器服務(wù)。同時，中繼衛(wèi)星對在軌用戶的實時管控能力和接入能力也得到極大的提升。
其次是提高衛(wèi)星在軌機動能力。為應(yīng)對衛(wèi)星多軌位變化需求，天鏈二號02星和03星由適用于單區(qū)單軌位工作，改進為可適用于多區(qū)多軌位工作的設(shè)計，即可以適用于軌道上現(xiàn)有的全部軌位，這大大提高了衛(wèi)星在軌道上的機動能力。
“單星機動能力的提高會極大地提升整個天鏈中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的健壯性和靈活性?！碧戽湺?3星主任設(shè)計師高令飛說，良好的軌道機動能力，可以使衛(wèi)星在執(zhí)行任務(wù)時具有更大的彈性，可根據(jù)需要多次進行軌道調(diào)整。
▲ 天鏈二號中繼衛(wèi)星環(huán)繞地球示意圖
此外衛(wèi)星平臺的適應(yīng)性和兼容性也有所增強。天鏈二號02星和03星啟動研制時，核心單機都已實現(xiàn)國產(chǎn)化，且產(chǎn)品性能穩(wěn)定。同時，衛(wèi)星研制團隊通過對衛(wèi)星架構(gòu)設(shè)計以及硬件與軟件的通用化、模塊化設(shè)計等手段，使得衛(wèi)星平臺的硬件設(shè)備與主要軟件系統(tǒng)功能完備、適應(yīng)性兼容性強，達到去任務(wù)化的目的。
飛船位置捕獲能力更強
對于中繼衛(wèi)星來說，最主要的任務(wù)是為載人飛船和載人空間站提供天基遙測和數(shù)據(jù)中繼服務(wù)，例如天地通話、太空授課、交會對接、出艙活動等重要任務(wù)就是以天鏈中繼衛(wèi)星為主來保證各航天器的測控和天地雙向數(shù)據(jù)圖像傳輸。
隨著技術(shù)的發(fā)展，中繼衛(wèi)星在使用中逐漸拓展了需求。如今，中繼系列衛(wèi)星還可為中低軌具有實時大數(shù)據(jù)回傳需求的航天器提供服務(wù)。
“之前，衛(wèi)星發(fā)射過程中，我們都會派出遠望測量船，配合海外陸基測控站，執(zhí)行海基中繼傳輸任務(wù)，出航成本高，測控弧段有限?！碧戽湺?3星副總指揮詹克強透露，有了中繼衛(wèi)星，就可以搭載天鏈衛(wèi)星的中繼終端，在中低軌道運行的過程中，直接通過天鏈衛(wèi)星提供測控與數(shù)傳。
當下，3.6萬千米外的太空又多了一顆中繼衛(wèi)星，當它加入天鏈中繼衛(wèi)星系統(tǒng)大家庭后，會發(fā)揮出遠超過單星力量的作用。
未來它的應(yīng)用場景會越來越多，對提高載人航天器、中低軌航天器信息回傳時效性、在軌運行安全性和任務(wù)實施靈活性都會發(fā)揮重要作用。
當然，天鏈二號03星想要滿足用戶更多任務(wù)需求，其研發(fā)過程也必然要克服更多的技術(shù)難題。
天鏈二號03星是采用東方紅四號平臺研制的。整星的有效載荷分為天線、轉(zhuǎn)發(fā)器以及捕跟分系統(tǒng)，最關(guān)鍵的就是負責捕獲跟蹤的天線。
“這兩副天線提供了衛(wèi)星大范圍、高精度捕獲跟蹤目標用戶和為用戶提供高速數(shù)傳的功能。該天線的性能至今仍處于國際領(lǐng)先水平?！睆堸i說，能做到的國家少，就是因為這項技術(shù)難。
在天線結(jié)構(gòu)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，研制團隊嚴格篩選參數(shù)較為均衡一致的零件，組裝成產(chǎn)品，成品后還要在真空環(huán)境下進行高低溫循環(huán)考核，對天線在最惡劣環(huán)境下的指標狀況加以驗證。
▲ 中繼衛(wèi)星“接力”工作示意圖
作為一款中繼衛(wèi)星，如果想要保持衛(wèi)星與飛船間的通信鏈路，就要使用高精度捕獲飛船位置的技術(shù)。這些技術(shù)難題都決定了天鏈二號03星要比一般衛(wèi)星研制周期更長。
“像大角度轉(zhuǎn)動的試驗驗證，要在真空環(huán)境下，進行數(shù)以萬計的試驗，才能保證其使用壽命滿足指標要求，如此試驗對我們而言既是常態(tài)更是標準?！备吡铒w說。
“金牌勞?！膘顫裆详?/h2>
值得一提的是，這次發(fā)射任務(wù)并非一帆風順，被譽為“金牌火箭”的長征三號乙運載火箭面臨不利條件?？蒲腥藛T努力克服困難，確保成功發(fā)射，其中很多細節(jié)值得品味。
發(fā)射前，火箭要陸續(xù)完成總裝、測試等各項準備工作。根據(jù)氣象系統(tǒng)預報，6月26～27日將會迎來一輪降雨，而火箭轉(zhuǎn)場任務(wù)原定日期正是6月27日。這意味著計劃要臨時調(diào)整。
6月25日上午，載著火箭的轉(zhuǎn)運車提前2天從技術(shù)測試區(qū)駛出。其實，火箭在“乘車”出發(fā)時并不是整機，而是分級放置的，不同子級的箭體要分別運輸，待運輸至發(fā)射區(qū)后，再像搭積木一樣完成火箭“站立”準備工作。整個過程并不輕松，一般需要2天才能完成。
▲ 火箭部件艙段轉(zhuǎn)場
考慮到火箭在轉(zhuǎn)場運輸?shù)臅r候會暴露在自然環(huán)境中，如果遇到超量的降雨，就會對火箭的電氣系統(tǒng)、電子元器件等造成影響。試驗隊改變原有計劃，將暴露在外的大部段箭體先行運輸，再進行箭體內(nèi)部的機構(gòu)安裝。最終火箭順利完成組裝合體工作，平穩(wěn)“站立”，發(fā)射開始進入倒計時。
在火箭進行第二次總檢查的前一天，西昌突然下起了大雨。要知道，火箭最怕受潮，遭受大雨肆虐后，濕度迅速上升?？蒲腥藛T爬上塔架，花了近2個小時，查找受潮產(chǎn)品和部位，并往箭體里注入干燥空氣，將濕度控制在30%至60%之間，確保了火箭第二次總檢查順利進行。
火箭轉(zhuǎn)到發(fā)射區(qū)之后，輪番演練接踵而至，比如火箭發(fā)射之前要進行激光慣組瞄準測試。簡單來說，如果把火箭發(fā)射比作狙擊手瞄準射擊，火箭好比子彈，航天器可以看作彈頭，發(fā)射塔架就是狙擊步槍，而火箭使用的瞄準儀就是狙擊步槍的瞄準鏡。不過，與狙擊手射擊不同的是，火箭瞄準的是航天器的入軌點，遠比狙擊手瞄準要復雜得多，被形象地形容為“萬人一桿槍的事業(yè)”。
火箭發(fā)射之后要想精確入軌，離不開瞄準這一環(huán)節(jié)。只有保證各項工作、產(chǎn)品狀態(tài)以及參數(shù)測試數(shù)據(jù)結(jié)果的正確，才能確?；鸺闇示日`差控制在分秒級以內(nèi)。
由于疫情影響，現(xiàn)場人手緊張。科研人員在塔架反復爬上跑下，確認火箭狀態(tài)正常，部件安裝合格，通過前后方反復核對測試數(shù)據(jù)，最終迎來發(fā)射成功。
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