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本次发射是长征火箭第409次发射 。
长征八号是我国自主研制的中型运载火箭 ， 长征八号遥二运载火箭为长征八号运载火箭的无助推器状态 ， 为适应一箭多星任务 ， 更换整流罩 ， 本次发射是该构型的首次飞行试验 。
本次飞行试验搭载了海南一号01和02星等22颗商业卫星 ， 主要用于对地观测、低轨物联网通讯、空间科学试验 ， 可提供资源调查、合成孔径雷达数据支持、物联网分散终端数据采集、在轨科学试验和技术验证、海南及环省海域船只信息收集处理等服务 。
如何能在有限的整流罩空间里 ， 让22颗卫星“坐”得舒服 ， 又能安全、准确“下车”？采访人员从一院了解到 ， 长八火箭设计团队采用了全新的“三层式多星分配器”结构 ， 并对卫星分离安全性进行充分设计 。
给22名“乘客”提供三层“座椅”
据一院长八火箭副主任设计师陈晓飞介绍 ， 此次发射的22颗卫星形状各异 ， 其中多个卫星尺寸较大 ， 因此在布局时 ， 首先考虑如何有效利用整流罩内空间包络 。
结合任务需求 ， 设计团队对传统卫星结构进行梳理 ， 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 。
“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 。 ”一院长八火箭总体副主任设计师于龙介绍 ， 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 。 于龙表示 ， “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 。 ”
在整流罩有限的空间内 ， 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 。
分批次“下车”更安全
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？要让这些“乘客”能够安全准确“下车” ， 设计团队需要考虑的问题也不少 。
首先要考虑的是卫星近场分离的安全性 。 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 。
根据卫星不同的分离机构 ， 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 。 ”一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 。 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 ， 对设计人员来说有不小的挑战 。
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 。
在分离动作设计过程 ， 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 ， 对设计也增加了难度 。 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首飞
本次任务是长征八号火箭不带助推器的新构型首飞 。
长征八号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 。 从长征八号遥一火箭首飞 ， 到此次新构型遥二火箭首飞的圆满成功 ， 虚实结合模态试验技术均发挥了重要作用 。
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中国航天科技集团一院供图 。 宋涛摄
采访人员从一院了解到 ， 长征八号采用“模块化、系列化、组合化”的设计思路 ， 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 。
一院702所副总设计师朱曦全介绍 ， 在研制过程中 ， 为了获取长征八号的模态参数 ， 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在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 。
来源：新华视点、光明日报、科技日报
编辑：喵喵
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