此次长八遥二火箭的发射 ， 是新一代运载火箭在2022年的首次飞行 ， 也是型号不带助推器的新构型首飞 。
北京时间2022年2月27日11时06分 ， 由中国航天科技集团有限公司所属中国运载火箭技术研究院（以下简称“火箭院”）抓总研制的长征八号遥二运载火箭（以下简称“长八遥二火箭”）在海南文昌航天发射场点火起飞 ， 随后将托举的22颗卫星分别顺利送入预定轨道 ， 发射任务取得圆满成功 ， 创造了我国一箭多星发射的最高纪录 。
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【整流罩|一箭22星，光杆“长八”首飞创我国一箭多星最高纪录】长征八号遥二运载火箭在海南文昌航天发射场点火起飞 。 国家航天局 屠海超 摄
据了解 ， 此次成功送入预定轨道的 22 颗卫星为：泰景三号01卫星、泰景四号01卫星、海南一号01/02星、文昌一号01/02星、吉林一号高分03D10-18星（9颗）、吉林一号MF02A01星、巢湖一号卫星、创星雷神号卫星、天启星座19星、星时代-17卫星、启明星一号卫星、西电一号卫星 。
不带助推器的新构型实现首飞
2020年12月22日 ， 长征八号运载火箭以“一箭5星”的方式首飞成功 ， 作为我国新一代主力中型运载火箭 ， 将我国太阳同步轨道运载能力从3吨提升至4.5吨 ， 填补了新一代运载火箭的能力空白 。 至此 ， 长征八号运载火箭也将可承担80%以上的中低轨发射任务 。
此次长八遥二火箭的发射 ， 是新一代运载火箭在2022年的首次飞行 ， 也是型号不带助推器的新构型首飞 。
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不带助推器的新构型实现首飞 。 图源中国运载火箭技术研究院
火箭院长征八号火箭副主任设计师陈晓飞说 ， 与遥一火箭相比 ， 长八遥二火箭外形上最大的区别就是取消了两个助推器 ， 从两级半构型变成了两级串联构型 。 因采用了“模块化”“组合化”的设计思路 ， 自成功首飞到遥二火箭完成总装总测、具备出厂条件 ， 研制团队仅用了1年时间 。 遥二火箭无需进行大规模更改 ， 只需针对载荷、飞行轨道进行适应性调整 ， 就能高效地满足任务要求 。
事实上 ， 在长八火箭设计之初 ， 研制团队就已经兼顾了有助推器和没有助推器两种状态 。 据火箭院长八火箭项目办胡辉彪介绍 ， 这次任务可以检验新构型的正确性、协调性和匹配性 ， 对开拓中型主力火箭市场具有重要意义 。 长八遥二火箭虽然“一箭22星” ， 但载荷总计只有不到2吨 ， “光杆”新构型的能力在3吨级 ， 完全能够满足载荷要求 。 同时 ， 此次任务时间紧张 ， 减少两个助推器 ， 可以缓解生产、总装和测试的压力 ， 让研制周期缩短、研制成本降低 。
在确定火箭任务载荷时 ， 长八火箭团队把将视线转移到了小卫星上 。 据了解 ， 截至去年年底 ， 我国国内注册的卫星单位有80多家 ， 其中小卫星占据了主要份额 ， 在未来的商业市场上具有非常大的潜力 。
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长八遥二火箭同时还是一发“共享火箭” 。 图源中国运载火箭技术研究院
胡辉彪说 ， 一次任务如果只发射一颗三四百公斤的小卫星 ， 对于长八火箭的能力来说未免太浪费 。 为此 ， 长八火箭团队提出“共享发射”新模式 ， 多个小卫星“拼车”完成任务 ， 即可充分发挥火箭能力 ， 又有效满足市场需求 。 他认为 ， 此次新构型的首飞也将为长八火箭积累成功子样 ， 推动型号走向成熟 ， 为后续进入航天发射主战场打好基础 ， 巩固长征八号在商业航天领域的主动权和主导权 。
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整流罩高度从8米缩短到5.4米 。 图源中国运载火箭技术研究院
采访人员了解到 ， 本发火箭的整流罩高度也从8米缩短到5.4米 ， 使得全箭关键部位的受载降低了 。 为什么要更换更短的整流罩？陈晓飞介绍 ， 从技术层面来看 ， 这次任务的卫星体积较小 ， 重量没有那么沉 ， 不需要用长八遥一火箭那么大的整流罩 。 另外 ， 从气动外形来说 ， 短一点的整流罩可以降低载荷 ， 放宽火箭发射放行条件 ， 提高火箭发射概率 ， 为后续高密度发射奠定基础 。
提供三层“座椅” ， 22颗卫星顺利“上车”
如何能在有限的整流罩空间里 ， 装下这么多位“乘客”？长八火箭整流罩直径为4.2米 ， 在有限的空间内 ， 要实现一箭发射22颗卫星 ， 第一步是要把这些卫星合理布局在整流罩里 。
火箭院长八火箭副主任设计师陈晓飞介绍 ， 一箭发射22颗卫星以前在国内是没有的 。 由于每颗卫星形状各异 ， 且有多个卫星尺寸较大 ， 所以在最开始进行布局时 ， 首先考虑的是如何有效利用整流罩内空间包络 。
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提供三层“座椅” ， 22颗卫星顺利“上车” 。 图源中国运载火箭技术研究院
结合任务需求 ， 设计团队对传统的卫星结构进行梳理 ， 最后设计出新的“三层式多星分配器” ， 为“乘客”提供三层“座椅” 。 “三层式多星分配器”从下到上分别由锥形支架、中心承力筒和圆盘平台组成 。 其中 ， 锥形支架搭载2颗卫星 ， 中心承力筒搭载14颗卫星 ， 圆盘平台搭载6颗卫星 ， 完美将22颗卫星装进整流罩中 。
火箭院长八火箭总体副主任设计师于龙说 ， 多星分配器最下层的锥形支架 ， 设计团队沿用的是长八遥一运载火箭的结构；中心承力筒也是成熟的结构 ， 能够尽可能利用整流罩的空间 ， 在侧壁多挂卫星 。 对于一些直径较大、不适合侧挂的卫星 ， 设计团队则在中心承力筒上方新设计了一个圆盘平台 ， 让大直径卫星安装操作更简洁 ， 分离方向上也没有其他卫星去干涉 。
“在分配器结构设计上 ， 我们采取‘模块化’设计 ， 将现有的、成熟的结构拼接在一起形成新的结构形式 ， 达到‘1+1>2’的效果 ， 同时节省了设计时间 ， 提高研制效率 ， 能快速满足卫星方发射的需求 。 ”于龙说 ， “一般来说 ， 一个新的结构从出图到生产 ， 需要至少一年多时间 。 我们通过‘模块化’设计 ， 在半年不到的时间就生产出来了多星分配器 。 ”
卫星虽然能装进整流罩 ， 但在有限的空间内 ， 卫星数量越多 ， 星和星的间隙肯定就越小 ， 在对接操作时的难度也就越大 。 在设计之初 ， 设计团队就对现场工装设备、人员操作位置等进行考虑 ， 将卫星安装操作可达性纳入分配器结构设计中 。
为了方便安装操作 ， 设计团队专门在圆盘平台中间开了个孔 ， 方便操作人员进入 ， 并通过星箭联合操作试验 ， 不断调整卫星安装操作的顺序及布局的位置 ， 确保操作人员真正上箭操作的安全性 ， 让22颗卫星能顺利“上车” 。
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长征八号遥二运载火箭升空 。 中国运载火箭技术研究院 宋涛 摄
采用12次分离动作 ， 帮助“乘客”安心“下车”
这22颗卫星 ， 分离时会不会碰撞？进入预定轨道飞行时会不会碰撞？……“座椅”有了 ， 卫星顺利装进了整流罩 ， 但要让这些“乘客”怎样才能安全准确“下车”？设计团队首先要考虑的是卫星近场分离安全性 。
于龙介绍 ， 卫星到天上后要离开箭体 ， 在这个过程中 ， 卫星的动力源和解锁方式会有一些偏差 ， 不是想象中的静态安装位置在哪里 ， 分离过程中就一定在这个范围内不晃荡 。 某些时候这些小偏差会使得卫星与卫星之间距离缩小 ， 威胁到箭体的安全 。
根据卫星的不同分离机构 ， 设计团队结合实际卫星布局位置 ， 对所有的箭体和卫星偏差进行多轮仿真计算 ， 让各卫星之间保留一定的近场分离过程中的动态间隙 ， 保证近场分离安全性 。
“卫星数量越多 ， 分离出去后在轨道飞行碰撞的风险就越大 ， 远场分离安全性也是设计人员需要考虑的重点 。 ”火箭院长八火箭轨道设计师李静琳介绍 ， 分离速度、分离方向、分离顺序是影响卫星后续运动轨迹的关键因素 。 但在这次卫星数量如此之多的情况下 ， 要在有限的外界分离轨道将22颗卫星错开 ， 避免两两卫星之间干涉 ， 对设计人员来说是个不小的挑战 。
22颗卫星加上一个火箭末级就是23个分离体 ， 为了保证彼此之间分离的安全性 ， 设计团队计算分析每一颗卫星运行的轨道参数 ， 对23个分离体两两之间的相对距离进行长周期的仿真、观察和考核 ， 并根据卫星布局 ， 设计分离方案 ， 最终采取了12次分离动作 ， 依次将22颗卫星逐步分离出去 ， 并通过不断调整末级箭体的姿态 ， 实现不同卫星的分离方向调整 ， 确保各个卫星近远场安全 ， 让22颗卫星安心“下车” 。
在分离动作设计过程中 ， 设计团队也遇到了重重困难 。 要对23个分离体两两之间的相对距离进行分析 ， 计算量非常大 。 同时 ， 在火箭调姿过程中 ， 为了满足天基可见的要求 ， 要保证箭体调姿角度不能过大 ， 给设计团队又增加了难度 。
李静琳介绍 ， 这是一个相当于多个对象、多种约束、长周期的、需要通过多轮迭代解决的一个优化问题 ， 远场分离计算量比以往翻了好几倍 。
面对巨大的计算量 ， 设计团队专门研制了一个“多星远场分析工具” 。 “通过采用这个分析工具之后 ， 我们通过一次仿真 ， 就可以自动完成23个分离体各自的速度位置计算 ， 以及两两之间相对位置的计算 ， 不仅大幅提高了计算效率 ， 而且提高了远场分析的准确性 。 ”李静琳说 。
虚实结合模态试验技术助力新构型首飞
据介绍 ， 长征八号运载火箭在充分继承长征系列运载火箭设计经验的基础上 ， 没有开展全箭模态试验 ， 是我国首个在研制中基于模块化模态试验结果 ， 同时结合虚拟试验给出全箭模态参数的中大型火箭 ， 从首飞到新构型发射的圆满成功 ， 虚实结合模态试验技术均发挥了重要作用 。
在长征八号运载火箭采用的设计思路中 ， 一级和助推沿用了长征七号一级和助推结构 ， 二级沿用了长征三号乙三级结构 。 为了实现火箭快速集成研制 ， 试验人员在充分利用长七一级/二级飞行/靶场竖立、长七甲一级/二级/三级飞行/靶场竖立、长三乙三级飞行共30余个状态模态试验结果的基础上 ， 通过虚实结合——已有试验和仿真分析相结合 ， 在不开展全箭模态试验的条件下 ， 获取了全箭模态参数 。
航天科技集团一院702所副总师朱曦全指出 ， 长八火箭在研制过程中 ， 为了获取长八火箭的模态参数 ， 为其姿态和导航控制提供重要的设计依据 ， 试验团队按照三维动力学建模建立了全箭模型 ， 通过长七（长七甲）一级/二级模态试验结果修正得到了芯一级加助推的模型 ， 参照长三乙模态结果得到了二级的模型 ， 并首次建立了发射平台模型 。
在制定实施靶场竖立状态模态试验中 ， 采用新方法完成了我国首次该状态下的模态激振和振型斜率采集 ， 进而修正确认了有限元仿真模型的正确性 ， 这也是模态综合技术在我国运载火箭研制中的首次应用 。
朱曦全表示 ， 经过验证 ， 在充分的部段试验及组合状态试验的基础上 ， 模态综合技术的结果是合理可信的 ， 可以应用于型号首飞及后续发射 ， 这种方法还可为未来重型运载火箭的研制提供借鉴 。
新京报采访人员 张建林
编辑 刘茜贤 校对 赵琳
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