徐 帥,楊曉論,韓秀利,馮 偉
(太原衛(wèi)星發(fā)射中心,太原,030045)
隨著微小衛(wèi)星的偵察、導(dǎo)航、通信、氣象等功能日益成熟,以微小衛(wèi)星為主體的低軌衛(wèi)星星座計(jì)劃逐步由構(gòu)想走向現(xiàn)實(shí)。本文針對(duì)星座組網(wǎng)對(duì)發(fā)射資源的巨大需求,分析了箱式發(fā)射系統(tǒng)應(yīng)用于規(guī)?;M網(wǎng)發(fā)射的需求及特點(diǎn)優(yōu)勢(shì),剖析探討系統(tǒng)研制關(guān)鍵技術(shù),以期為實(shí)現(xiàn)規(guī)?;虡I(yè)發(fā)射提供一種新的解決思路。
近年來,隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展,以商業(yè)運(yùn)載火箭、低軌互聯(lián)網(wǎng)星座、商業(yè)遙感等為代表的商業(yè)航天各領(lǐng)域快速發(fā)展,航天產(chǎn)業(yè)規(guī)模日益擴(kuò)大。衛(wèi)星導(dǎo)航、通信、遙感等衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)與大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)交叉融合發(fā)展,推動(dòng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型并創(chuàng)造了巨大價(jià)值。商業(yè)衛(wèi)星通信領(lǐng)域發(fā)展強(qiáng)勁,寬帶互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新興業(yè)務(wù)發(fā)展?jié)摿薮蟆kS著市場(chǎng)需求日益增大,具有多時(shí)相、寬覆蓋、立體化等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的遙感衛(wèi)星產(chǎn)品成為了信息時(shí)代傳播速度最快、影響面最寬、開發(fā)利用潛力最大的科技資源之一。與此同時(shí),衛(wèi)星研制也呈現(xiàn)出體積重量小型化、功能集成多樣化、設(shè)計(jì)制造一體化、生產(chǎn)出廠規(guī)?;?、部署應(yīng)用星座化等新特點(diǎn)[1],衛(wèi)星星座建設(shè)迎來爆發(fā)期。鴻雁、行云、銀河等低軌通信星座相繼推出;衛(wèi)星柔性智造中心已全面建成,按照“脈動(dòng)式”節(jié)拍化生產(chǎn)小衛(wèi)星,年產(chǎn)能可達(dá)200顆以上。
目前,中國衛(wèi)星星座計(jì)劃多選擇質(zhì)量在200 kg以下的小衛(wèi)星作為建設(shè)主體,因此星座規(guī)模龐大,衛(wèi)星數(shù)量從幾百顆到上萬顆不等,且軌道傾角覆蓋全面??梢灶A(yù)見,星座組網(wǎng)階段將產(chǎn)生大量發(fā)射任務(wù)需求,在星座運(yùn)行階段,考慮到小衛(wèi)星壽命較短、數(shù)量較大,也會(huì)產(chǎn)生大量更迭補(bǔ)網(wǎng)需求,以上兩點(diǎn)將使得航天發(fā)射任務(wù)空前繁重、發(fā)射市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)愈發(fā)激烈。
在星座組網(wǎng)階段,國外采取以大中型火箭為主、小型火箭為輔的策略,在保證組網(wǎng)效率的同時(shí),兼顧組網(wǎng)靈活性[2-4]。從中國現(xiàn)狀來看,使用液體火箭組網(wǎng),雖然運(yùn)力強(qiáng)使得組網(wǎng)效率較高,但生產(chǎn)和測(cè)發(fā)周期較長、單發(fā)成本較高、受發(fā)射計(jì)劃影響大、對(duì)發(fā)射場(chǎng)資源依賴度高,在可重復(fù)使用液體火箭成熟之前,成本控制較為困難。使用小型固體火箭組網(wǎng),雖然發(fā)射次數(shù)較多,但可通過優(yōu)化產(chǎn)品配套等管理創(chuàng)新方法快速批量化生產(chǎn)、攤薄成本、創(chuàng)新研制模式、簡(jiǎn)化測(cè)發(fā)流程、大范圍機(jī)動(dòng)發(fā)射、提高軌道適應(yīng)性,成為液體火箭組網(wǎng)的有力補(bǔ)充。
在星座運(yùn)行階段,考慮到由軌道窗口多樣性、故障發(fā)生隨機(jī)性、補(bǔ)網(wǎng)發(fā)射時(shí)效性等引起的補(bǔ)網(wǎng)時(shí)機(jī)不確定性,發(fā)射模式也將從批量集中發(fā)射向快速隨機(jī)發(fā)射轉(zhuǎn)變,機(jī)動(dòng)靈活的小型固體火箭將成為迭代補(bǔ)網(wǎng)的主力軍。
近年來,一些單位及民營公司積極開展快速響應(yīng)火箭研究,成功研制了CZ-11、KZ-1A、雙曲線一號(hào)、谷神星一號(hào)、力箭一號(hào)等多型快速發(fā)射固體運(yùn)載火箭,多次成功實(shí)施了海上及陸基發(fā)射任務(wù),初步具備了7 天、24 h 之內(nèi)完成700 km SSO 200~1 000 kg 載荷的快速發(fā)射能力。但目前小型固體商業(yè)火箭發(fā)射多采取一車一箭或一船一箭的方式,發(fā)射平臺(tái)專用、環(huán)境保障能力差,發(fā)射模式軌道適應(yīng)性不足,極大地限制了規(guī)?;l(fā)射的運(yùn)用,不能很好地滿足星座組網(wǎng)和迭代補(bǔ)網(wǎng)需求。
鑒于星座組網(wǎng)衛(wèi)星多為微小衛(wèi)星,借鑒中小型導(dǎo)彈密閉發(fā)射箱儲(chǔ)運(yùn)方案,設(shè)想基于星箭箱大規(guī)模生產(chǎn)、一體化出廠、按需隨時(shí)啟用模式,研制小、快、靈的箱式發(fā)射系統(tǒng),將運(yùn)載火箭、目標(biāo)載荷及其測(cè)試、發(fā)射、保障等系統(tǒng)高度集成至發(fā)射箱內(nèi)。發(fā)射箱集發(fā)射場(chǎng)的測(cè)試廠房、發(fā)射臺(tái)架、測(cè)控系統(tǒng)、綜合保障等系統(tǒng)功能于一體,實(shí)現(xiàn)箱內(nèi)環(huán)境自持及星箭長期貯存、升級(jí)測(cè)試。
箱式發(fā)射系統(tǒng)可以用于陸基發(fā)射和海上發(fā)射,利于培育公路、海上、鐵路發(fā)射等多樣化的發(fā)射能力。平時(shí)按計(jì)劃生產(chǎn),星箭一體組裝貯存,隨時(shí)按需整體轉(zhuǎn)場(chǎng)發(fā)射,任務(wù)時(shí)效性高,可有效降低小衛(wèi)星發(fā)射對(duì)固定發(fā)射場(chǎng)的依賴度,適應(yīng)直接入軌、多星快速組網(wǎng)、異面軌道部署等多任務(wù)類型,降低發(fā)射成本,提高發(fā)射靈活性,縮短發(fā)射周期,是一種可以滿足小衛(wèi)星星座快速組網(wǎng)、運(yùn)營維護(hù)的新型發(fā)射模式,可通過規(guī)模化運(yùn)用適應(yīng)未來高密度發(fā)射任務(wù)需求,加快推動(dòng)商業(yè)衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)發(fā)展。圖1為系統(tǒng)使用流程。
圖1 系統(tǒng)使用流程Fig.1 System usage process
與當(dāng)前小型固體火箭系統(tǒng)相比,箱式發(fā)射系統(tǒng)主要特點(diǎn)有:
a)脈動(dòng)生產(chǎn)一體出廠,極大壓縮發(fā)射成本。箱式發(fā)射系統(tǒng)采用星箭箱脈動(dòng)式生產(chǎn)、一體化出廠模式,可提高生產(chǎn)效率、縮短供應(yīng)鏈、降低系統(tǒng)成本,同時(shí),產(chǎn)品出廠后,不需要使用發(fā)射場(chǎng)的廠房設(shè)施進(jìn)行產(chǎn)品總裝、升級(jí)測(cè)試、星箭對(duì)接,簡(jiǎn)化了測(cè)發(fā)流程,有效縮短發(fā)射周期,從產(chǎn)品生產(chǎn)、發(fā)射準(zhǔn)備兩方面縮減了發(fā)射成本。
b)發(fā)射保障要求低,極大提高發(fā)射靈活度。發(fā)射箱集成測(cè)發(fā)、測(cè)控、環(huán)境、電源等系統(tǒng),自主定位定向,箱載箭自主上下車,發(fā)射箱內(nèi)環(huán)境自我保障,數(shù)字化遠(yuǎn)程調(diào)度,一鍵快速測(cè)試發(fā)射,具備分鐘級(jí)參數(shù)裝訂、開蓋起豎和實(shí)施隨機(jī)點(diǎn)位無依托發(fā)射能力,更易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用,適應(yīng)多地域多傾角發(fā)射任務(wù)的要求。圖2為箱式規(guī)?;l(fā)射示意。
圖2 箱式規(guī)?;l(fā)射示意Fig.2 The large-scale launch process of box-type systems
c)載具適應(yīng)性強(qiáng),極大降低運(yùn)輸成本。發(fā)射箱對(duì)外接口簡(jiǎn)單,符合民用運(yùn)輸要求,可通過民用平板車、火車或貨船等常用物流運(yùn)輸手段完成轉(zhuǎn)場(chǎng)發(fā)射,運(yùn)輸方便快捷,無需單獨(dú)研制大型運(yùn)輸平臺(tái),有效降低了系統(tǒng)研制和運(yùn)輸成本。尤其是通過集裝箱船舶可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程批量轉(zhuǎn)場(chǎng)和大規(guī)模海上發(fā)射,滿足特殊軌道發(fā)射需求。
d)發(fā)射點(diǎn)位靈活,極大提高落區(qū)安全性。功能高度集成提高了發(fā)射點(diǎn)位選擇的靈活性,為殘骸落區(qū)選擇提供了極大便利,合理的落區(qū)規(guī)劃大大減小了發(fā)射任務(wù)對(duì)地方生產(chǎn)、生活等的不利影響,提高了發(fā)射任務(wù)安全指數(shù)。
箱式發(fā)射模式新、技術(shù)創(chuàng)新多,要實(shí)現(xiàn)便捷運(yùn)輸、環(huán)境自持、遠(yuǎn)程快速發(fā)射等功能,需要在多功能發(fā)射箱設(shè)計(jì)制造、星箭環(huán)境適應(yīng)性、遠(yuǎn)程測(cè)試發(fā)射技術(shù)等方面開展重點(diǎn)研究。
多功能發(fā)射箱是箱式發(fā)射系統(tǒng)的重要組成部分,是快響火箭貯存、運(yùn)輸、起豎、發(fā)射等功能的載體,內(nèi)部配置所有功能性設(shè)備,主要由箱體、箱蓋、開蓋機(jī)構(gòu)、發(fā)射裝置、液壓系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、電源及電控系統(tǒng)、定瞄系統(tǒng)等組成,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足整箱載箭起吊要求,如圖3所示。箱體預(yù)留民用公路、鐵路平板車和船舶運(yùn)輸對(duì)接接口,滿足運(yùn)輸適應(yīng)性要求;箱體可自主上下車,無需輔助設(shè)備,降低發(fā)射保障條件;箱內(nèi)環(huán)境自持,為星箭提供滿足指標(biāo)要求的溫濕度等保障條件;箱內(nèi)傳感器監(jiān)測(cè)參數(shù)實(shí)時(shí)回傳,進(jìn)行裝備狀態(tài)智能評(píng)估,便于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)箱內(nèi)環(huán)境參數(shù)、掌握發(fā)射箱狀態(tài);選用集裝箱標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)件,可與集裝箱共線生產(chǎn),滿足大批量低成本生產(chǎn)要求;箱體采用密封設(shè)計(jì),能夠維持長距離運(yùn)輸時(shí)的內(nèi)部環(huán)境條件。
圖3 發(fā)射箱組成示意Fig.3 The composition of the launch box
根據(jù)規(guī)定,衛(wèi)星貯存時(shí)間超過6個(gè)月即為長期貯存。長期貯存引起的元器件老化、結(jié)構(gòu)形變等問題會(huì)對(duì)衛(wèi)星可靠性造成一定影響。星箭一體化出廠后未發(fā)射時(shí),衛(wèi)星長期處于水平停放狀態(tài)。目前,中國微小衛(wèi)星工程中心對(duì)快響衛(wèi)星的貯存條件、貯存方法、貯存方案等做了相關(guān)研究,但對(duì)于星箭一體化水平長期貯存的方法及可靠性驗(yàn)證的研究均為空白,因此針對(duì)星箭對(duì)接后的衛(wèi)星,須研究其在水平長期貯存工況下,衛(wèi)星電子元器件、典型結(jié)構(gòu)件、展開裝置、蓄電池、推進(jìn)系統(tǒng)等的適應(yīng)性,分析研究衛(wèi)星主要部件貯存要求,長期貯存對(duì)衛(wèi)星的各項(xiàng)性能影響,以及研究整星結(jié)構(gòu)精度、結(jié)構(gòu)板強(qiáng)度、粘接膠粘接強(qiáng)度等變化情況。
箱式發(fā)射火箭采用固體發(fā)動(dòng)機(jī),固體推進(jìn)劑為粘彈性物質(zhì),固體發(fā)動(dòng)機(jī)長期水平放置時(shí)可能由于自重較大而產(chǎn)生變形,導(dǎo)致藥柱結(jié)構(gòu)下沉,改變藥型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),影響發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)彈道性能。另外,藥柱各粘接界面間的粘接性能也可能發(fā)生變化,造成燃燒室界面粘接不良甚至脫粘,形成安全隱患。目前固體發(fā)動(dòng)機(jī)長時(shí)間不發(fā)射需開展內(nèi)窺鏡、超聲檢測(cè)等維護(hù)工作,數(shù)量較大時(shí)將耗費(fèi)較大人力、物力、時(shí)間等成本??紤]到箱式發(fā)射系統(tǒng)生產(chǎn)與發(fā)射計(jì)劃不匹配導(dǎo)致長期貯存的問題,同時(shí)為便于靈活使用,箱式發(fā)射火箭需具備水平長期停放能力,使用前無需再開箱進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè),可從以下幾個(gè)方面開展工作:
a)長期水平停放狀態(tài)燃燒室藥柱完整性。
重點(diǎn)以不同應(yīng)力狀態(tài)和不同貯存時(shí)間條件下的推進(jìn)劑和粘接界面力學(xué)性能為基礎(chǔ),基于貯存環(huán)境條件分析,綜合考慮固化降溫、充氣壓力和重力等因素對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)貯存的影響,開展聯(lián)合載荷作用下的計(jì)算研究,獲取重點(diǎn)部位應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù),為推進(jìn)劑及界面試件級(jí)試驗(yàn)提供依據(jù)。
b)試件級(jí)長期貯存試驗(yàn)研究。
開展推進(jìn)劑和粘接界面試件應(yīng)力試驗(yàn),獲取不同應(yīng)力狀態(tài)和不同貯存時(shí)間條件下的推進(jìn)劑和粘接界面力學(xué)性能,為燃燒室整機(jī)長期存貯性能評(píng)估提供依據(jù)。
c)整機(jī)級(jí)長期貯存試驗(yàn)研究。
開展燃燒室貯存試驗(yàn),研究發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室在貯存狀態(tài)下藥型的變化以及各界面粘接性能的變化,貯存試驗(yàn)后對(duì)燃燒室進(jìn)行直線加速器探傷,最后開展試車試驗(yàn)驗(yàn)證。
考慮星箭一體化生產(chǎn),為縮短測(cè)發(fā)周期,提高發(fā)射效率,在火箭貯存、轉(zhuǎn)運(yùn)、發(fā)射的全過程中取消衛(wèi)星操作。同時(shí),為提高分離可靠性,星箭之間不設(shè)置電氣接口。但扣罩后的衛(wèi)星電量將會(huì)隨待命時(shí)間的推移而不斷損耗,衛(wèi)星補(bǔ)充電量時(shí)必須進(jìn)行拆卸、充電、再裝配、再測(cè)試,無疑將大大增加工作量。在不改變箭體狀態(tài)條件下,為補(bǔ)充衛(wèi)星電量,便于衛(wèi)星地面測(cè)試及入軌后工作,須研究復(fù)雜金屬環(huán)境下能量傳輸磁場(chǎng)空間分布調(diào)整與約束技術(shù)、大功率無線電能傳輸磁屏蔽技術(shù)、小型化輕量化高功率密度磁耦合機(jī)構(gòu)技術(shù)等,設(shè)計(jì)研發(fā)空間無線電能傳輸系統(tǒng)。
a)復(fù)雜金屬環(huán)境下能量傳輸磁場(chǎng)空間分布調(diào)整與約束技術(shù)。
基于磁耦合諧振無線能量傳輸理論(靜態(tài)、周圍無干擾),綜合考慮金屬環(huán)境與共振系統(tǒng)相互作用、接收端運(yùn)動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響,建立考慮金屬環(huán)境、收發(fā)端相對(duì)運(yùn)動(dòng)等復(fù)雜因素影響下的磁共振無線能量傳輸系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和仿真模型。
利用數(shù)值計(jì)算軟件和有限元分析軟件,基于所建立的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和仿真模型,開展參數(shù)影響規(guī)律的數(shù)值仿真和磁路分布仿真,總結(jié)歸納線圈參數(shù)、金屬特性對(duì)系統(tǒng)傳輸特性的影響規(guī)律,為優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的制定提供仿真數(shù)據(jù)支持。
基于所建立的共振系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,通過數(shù)值分析手段,探討系統(tǒng)傳輸功率及效率與線圈參數(shù)(線圈匝數(shù)、尺寸、線徑等)、負(fù)載條件、耦合系數(shù)、金屬渦流損耗等的相互關(guān)系,研究金屬體表面電渦流回路通過磁路耦合對(duì)線圈阻抗及系統(tǒng)共振頻率的影響和改變程度;其次,通過有限元仿真,分析金屬材料屬性、形狀尺寸、空間相對(duì)位置等對(duì)磁場(chǎng)空間分布的影響,進(jìn)而研究不同傳輸結(jié)構(gòu)下的能量傳輸特性。最終揭示傳輸參數(shù)、金屬環(huán)境對(duì)系統(tǒng)傳輸性能影響規(guī)律。
b)小型化、輕量化和高功率密度磁耦合機(jī)構(gòu)研究。
磁耦合機(jī)構(gòu)是新型空間發(fā)電及電源技術(shù)無線電能傳輸系統(tǒng)中能量傳輸?shù)暮诵?,由利茲線繞制的線圈、磁芯和屏蔽材料組成。對(duì)于利茲線線圈,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初應(yīng)充分考慮能量傳輸需求與線圈參數(shù)的關(guān)系,避免過高的線圈自感需求,從根本上避免大量線材消耗的可能。同時(shí),選用絞合工藝較先進(jìn)的線材產(chǎn)品,進(jìn)一步減小線材單位重量。對(duì)于磁芯,結(jié)合磁場(chǎng)仿真、熱磁有限元分析和電路仿真等多種方法,保證滿足系統(tǒng)指標(biāo)的耦合系數(shù)條件下,以不降低系統(tǒng)性能和減少磁芯用量為目標(biāo),優(yōu)化磁芯厚度、尺寸和排布方式等關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。對(duì)于屏蔽材料,首先充分考慮磁耦合機(jī)構(gòu)磁場(chǎng)分布情況,關(guān)注漏磁可能超限的主要位置。其次,根據(jù)磁場(chǎng)仿真相關(guān)結(jié)論,分析歸納屏蔽材料種類、厚度、大小及擺放位置對(duì)屏蔽效果的影響。再次,對(duì)屏蔽材料與磁耦合機(jī)構(gòu)其他參數(shù)進(jìn)行一體化建模。最后,基于“電路-磁路”一體化模型,優(yōu)選確定屏蔽材料類型、用量、放置方式等關(guān)鍵參數(shù)。
當(dāng)前星箭產(chǎn)品的智能化、無人化操作性能不足,發(fā)射任務(wù)需大量人員伴隨保障,人力、物力成本較高,任務(wù)時(shí)效性差,規(guī)?;l(fā)射能力不足。采用基于民用網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程加密通信技術(shù),構(gòu)建“指揮中心—無線通信網(wǎng)絡(luò)-箱式發(fā)射系統(tǒng)”專用指揮通信網(wǎng),確保復(fù)雜電磁環(huán)境下安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸能力,通過后端指揮中心遠(yuǎn)程指揮控制,實(shí)現(xiàn)箱式發(fā)射系統(tǒng)自主彈道規(guī)劃、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)裝訂、遠(yuǎn)程一鍵測(cè)試發(fā)射、數(shù)據(jù)自動(dòng)判讀、遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能,發(fā)射平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)僅留有少數(shù)人員進(jìn)行異常情況緊急處置,滿足未來多地域、大規(guī)模發(fā)射需求,有效降低單次任務(wù)人員、物資等保障需求。
遠(yuǎn)程(不小于1 000 km)控制中心利用4G 或5G公共網(wǎng)絡(luò)資源與前方發(fā)射箱進(jìn)行信息交互,包含任務(wù)指令下達(dá)、交班地面主站指令,并通過遠(yuǎn)程監(jiān)視前方畫面、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)箭箱數(shù)據(jù)來輔助決策??刂浦行呐c箭箱交互過程如圖4所示,交互信息包含指令、裝訂數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)及遙測(cè)數(shù)據(jù)等。
圖4 箱式發(fā)射系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制示意Tab.4 The long-range control of launch process of box-type systems
箱式發(fā)射系統(tǒng)是一種新型快響發(fā)射系統(tǒng),充分發(fā)揮其“小、快、靈”的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)隨機(jī)點(diǎn)位的無依托發(fā)射,可使商業(yè)發(fā)射逐步擺脫受制于發(fā)射場(chǎng)工位數(shù)量、測(cè)發(fā)周期長等問題的困擾,進(jìn)一步提升航天發(fā)射體系的快速響應(yīng)能力、天地輸送能力和運(yùn)用靈活度,有效增加商業(yè)航天發(fā)射運(yùn)力總量,有效緩解場(chǎng)內(nèi)設(shè)施面對(duì)發(fā)射任務(wù)不斷增加的緊張局面,為大規(guī)模衛(wèi)星發(fā)射提供了一種新的解決方案,有效提升中國太空領(lǐng)域戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)力。