中星9A通信衛星還能“搶救性”入軌嗎?

航空航天 火箭 運載火箭 地球 第一軍情 2017-06-28

第一軍情作者:瀚海狼山

6月19日0時11分,在西昌衛星發射中心,長征三號乙運載火箭發射了中星9A廣播電視直播衛星。但在發射過程中,由於火箭第三級工作異常,導致了衛星未能進入預定軌道。但中星9A的太陽帆板已經正常展開,星上設備也全部激活,發射團隊正在採取有效措施。

中星9A通信衛星還能“搶救性”入軌嗎?

這個新聞公開報道後,國內網友的普遍反應是淡定和理解,大部分評論是:失敗是成功之母,難得見一回“不成功”。

國內網友的成熟和淡定值得肯定,這是我們綜合國力日益強大的體現。但是對衛星公司本身和發射團隊來說,卻不能用一個“淡定”一推了之:畢竟,中星9A這種大功率通訊衛星,一顆的價值可能就在10億元人民幣以上,加上火箭的價值,可能高達十幾億元。

目前在太空飛行的中星9A已經全面激活,可以靠自己的動力系統,最終實現成功定位!因此我們不要認為此次發射“已經失敗”,目前的狀況,是“還在逐步定位成功的半路上”。

為何通訊衛星沒有一次定位成功也可以繼續“搶救”?這就體現了通訊衛星的特殊性。中星9A是採用我國經典的東方紅四號衛星平臺的大容量通信衛星。

中國從1970年開始發射衛星,第一顆衛星被稱為“東方紅一號”,以後是東方紅二號、三號;此後,凡是中國的衛星,都被稱為“東方紅”系列,就像運載火箭叫“長征”系列,戰略導彈叫“東風”系列一樣。

目前我國的東方紅衛星,有3號、4號、5號之分,都已發展成為衛星系列框架平臺,每種衛星平臺,就像一臺“空間小貨車”,可以根據任務,裝載不同的有效載荷。對通訊衛星來說,直接有效的載荷就是空間信號轉發、放大器。

東方紅4號衛星平臺,整星質量在4500KG—5000KG,其中有效載荷質量,一般不超過700KG,而衛星攜帶的燃料高達2500KG,如此多的星載燃料,本來的目的是長期維持同步軌道的精確定位,因為中星9A的原本設計使用壽命高達15年,只有攜帶足夠的多的燃料才能保持長時間的軌道穩定。

本次發射使用的長征三號乙,同步軌道最大運力在5噸左右。按照原計劃,火箭的前兩級,應該讓第三級火箭和衛星的組合體,達到略微超越第一宇宙速度,“在空間滑行”一段距離,然後第三級火箭再次點火,把衛星送到遠地點36000公里以上的大橢圓轉移軌道,最後衛星本身的發動機再在遠地點開機,定位於赤道上空36000公里的地球同步圓形軌道。

同步衛星的發射,若前兩級火箭有故障,沒有達到第一宇宙速度,那麼整個發射體要立即墜向地面,導致發射完全失敗;另一個容易導致失敗的狀況是,通訊衛星發射後,太陽帆板不能展開,衛星電池的電量幾天後耗盡,即使定位成功,也沒有任何用途,因此太陽能帆板的展開動作也極其關鍵。

我國的東四衛星平臺,研發初期可靠性不高,前兩顆——鑫諾2號和尼星上天后,就因打不開太陽帆板而報廢;後面的十來顆,全部定位成功。

中星9A通信衛星還能“搶救性”入軌嗎?

本次中星9A的飛行過程,前兩級火箭都沒有問題,而且太陽帆板已經順利展開,電量充足,星上設備也正常開機,但就是轉移軌道的高度,沒有達到36000公里!這種狀況,可以採取補救性措施。

目前,中星9A的故障原因已經基本查明:就出在第三級火箭和衛星組合體滑行期間,地面測控中心對其姿態掌握不夠精確,二次點火的姿態有問題。

長征三號乙運載火箭在第二次啟動後,火箭第三級在滑行過程中的姿態沒有控制好,火箭當時本來處於負滾動,應該給它一個正滾動的指令,讓火箭通過負反饋保持穩定的姿態運行,結果實際操作搞錯了,再次點火後,沒有進入預定的大橢圓軌道。好在中星9A衛星本身具有動力系統,可以靠“自帶乾糧”慢慢實現變軌。

筆者打個比喻:這相當於火箭本來“應該開車把衛星一次性從南京送到北京”,但衛星在天津就稀裡糊塗的下了車,剩下的從天津到北京的路,就需要“衛星自己下步去走了”,好在衛星揹包裡還有面包和礦泉水,可以最終步行“走”到北京。

中星9A衛星需要多次變軌到達預定軌道,這一過程可能需要20天左右。目前,中星9A衛星已實現兩次變軌,軌道提升到近地點251公里、遠地點17090公里的橢圓形軌道,最終目標軌道是高度3萬6千公里的圓形軌道。看似還有接近2萬公里的巨大軌道高度差,實際上對已經以每秒8千米以上速度高速飛行的衛星來說,要想再提高到每秒9千米以上大橢圓軌道的速度,只需要在近地點開發動機一到兩次,就能達到遠地點36000公里的高度,然後再在遠地點變軌,就可以最終在地球同步軌道定位成功。

雖然進行多次變軌,能使中星9A最終到達預定軌道,但是變軌的過程中,中星9A衛星會消耗大量推進劑,未來定位成功後,用於長期軌道精確維持的推進劑,就不夠用了,使得原本是15年的設計壽命,減少10年。

中星9A通信衛星還能“搶救性”入軌嗎?

研製一套成熟可靠的火箭和衛星組合系列,是不容易的,需要經過多年的實踐積累,不斷的改進,甚至會有失敗的教訓。中國航天偶然的一次發射缺陷,可以作為改進發射系統的正面教材。

要成為一流航天強國,必須在火箭和衛星這兩樣關鍵技術上,都達到高水平。未來的東方紅5號衛星平臺,到達同步軌道的總質量,將達到10噸以上,東五平臺和長征5號火箭,未來都肩負重要使命。

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