在长征系列火箭中,长征十一号运载火箭是最小的兄弟,它出生晚、个头小、重量轻,并且与兄长们有很大的不同。它的兄长们都是液体火箭,它却是我国长征系列运载火箭家族中的第一个固体运载火箭。
2019年6月5日12时6分,长征十一号运载火箭在我国黄海海域成功实施首次海上发射,以“一箭七星”方式,将7颗卫星送入预定轨道,填补了我国运载火箭海上发射的空白。
长征十一号运载火箭主要用于快速机动发射应急卫星,满足自然灾害、突发事件等应急情况下微卫星的发射需求。前后端无线远控、箭上自主智能安控,包括海上动基座瞄准等多项关键技术,都在这次发射中得到了突破。因此,在实现海上发射之后,长征十一号火箭的军民身份转换将更加灵活,进入军民两用之间游刃有余的佳境。
长征十一号运载火箭有哪些优势?具体地说,长征十一号固体燃料火箭与其兄长的液体燃料火箭相比,具有以下几点优势:
1. 长征十一号运载火箭可满足80%以上小卫星的发射需求,而且在发射小卫星时可以省去搭载发射需要解决的轨道协调、结构协调、电磁兼容协调等问题。
2. 长征十一号运载火箭能够为小卫星提供最优化、最灵活的发射服务,使小卫星也可以作为主载荷,获得优先权和个性化订制的服务。
再加上长征十一号具备全天候、无依托发射的能力,不需要专门的火箭发射场、勤务塔、脐带塔和导流槽,连发射台都不需要,只要有一片平地就可以了。长征十一号运载火箭采用了能够自主移动、完成测试准备的发射平台——机动战略导弹的发射平台。因此,它可以灵活选择发射地点,把卫星送入一些受制于现有发射场测控、落区范围而难以到达的目标轨道。因此长征十一号的出现可以大大拓展我国小型航天器的应用范围。
3. 长征十一号运载火箭使用了国际通用的星箭接口。接口的标准化使火箭能够适应不同卫星的任务需求,减少星箭接口匹配的工作量。标准接口具有的互换性,也为长征十一号在各种快速应急任务中灵活地匹配不同类型的有效载荷提供了便利。因此它可满足不同任务载荷、不同轨道的多样化发射需求。
4. 长征十一号运载火箭最大优点就是“快”。
由于固体燃料提前填充在火箭内,可长期贮存,免去了液体火箭在临发射前的燃料加注等流程,使发射准备时间由数月缩短至数天。在接到任务命令后,24小时内即可完成星箭技术准备和发射任务,其中在发射点的发射准备时间不大于1小时,具备“日发射”能力。加上与多种卫星快速对接等能力,长征十一号运载火箭最短发射准备时间突破24小时大关,这远远超过了其他国家的发射准备时间。
例如美国同类火箭最短发射准备时间是3天;日本以维护简便和快速发射为卖点的Epsilon固体火箭发射准备时间在7天左右;至于欧洲织女星固体运载火箭的发射准备时间就更长了。长征十一号是世界上发射准备时间最短的运载火箭之一。它不仅能担负常规的小卫星发射任务,也能在自然灾害等应急条件下迅速提供航天发射支援。
总之,长征十一号具有可整体贮存、操作简单、发射成本低、发射周期短、可靠性高等特性,最大的优势是“快速、可靠、便捷、低廉”,运载能力和适应能力强,该火箭接到任务命令后,可在24小时内完成星箭技术准备和发射任务。长征十一号运载火箭的发射成功,标志着中国在固体运载火箭领域关键技术上取得重大突破,对于完善中国运载火箭型谱、提升进入空间能力具有重要意义。
固体火箭能够满足运载火箭商业化发展需要,满足军民融合发展需求,有效降低卫星发射成本,是我国商业航天的一支“生力军”,将为我国后续小型商业卫星的大批量发射提供有效手段。
为什么要海上发射?中国长征系列运载火箭的发射成功似乎已经“司空见惯”,不过长征十一号发射很不一样:火箭的升空地点不是大家熟悉的酒泉、西昌等陆地发射场,而是位于黄海海域的一艘船上。航天科技集团一院是用经过改装的大型半潜式驳船进行海上发射的,它的甲板面积超过一个标准足球场。长征十一号作为固体运载火箭具有发射准备时间短、测试简便、可以无依托发射等特点,是长征系列火箭家族中最适合进行海上发射的一型火箭。
试验系统由运载火箭系统、海上发射平台、测控通信系统和卫星系统4部分组成。发射任务的计划是在搭载火箭发射平台离港后1周之内完成发射。任务目标是通过首次海上发射技术试验,突破海上发射稳定性、安全性、可靠性等关键技术,全面验证海上发射试验流程,初步构建多方融合的海上发射模式。
在人类5900多次火箭发射中,99%都是从陆地发射。在陆地发射火箭技术已经相当成熟的情况下,为何还要展开海上发射呢?这是因为海上发射有诸多的优点。
第一,运载火箭海上发射更加灵活经济。低倾角卫星的需求越来越旺盛,发射这类卫星,离赤道越近,运载能力损失越小,发射成本越低。同一种火箭在赤道区域发射,比起在高纬度地区发射可提高将近20%的运载能力,这样就可以搭载更重的卫星,同时降低发射成本。
因此在靠近赤道的海上进行火箭发射,已成为许多航天强国争相开发的一种发射模式。运用海上平台发射火箭,能够将运载火箭的发射场灵活地“搬运”到低纬度的赤道地区附近,最大限度地将火箭自身的速度与地球自转的速度叠加,从而节省火箭燃料的消耗量,也进一步提高了火箭的运载能力。海上发射运载火箭还可以自由选择卫星入轨角度,使卫星以最优角度入轨,其运行寿命可得到延长,从而降低运营卫星的成本。
第二,海上发射解决了火箭残骸落区的安全问题。随着航天发射活动需求量的日益增加,以及陆地人口密度更加稠密,火箭发射落区安全性问题日益突出。此前,长征火箭从内陆发射场发射前,为防止残骸掉落造成安全事故,需要提前将落区内的百姓疏散到安全地带,不但给当地百姓带来极大的不便,也增加了火箭发射的经济成本和工作难度。
在海上发射时,可以灵活选择发射点和落区,确保火箭残骸远离人口稠密地区,掉落在广袤无人的公海海域,大幅降低陆地发射人员疏散的成本和工作难度。
第三,根据我国的具体情况,更加需要重视海上发射。其他航天强国此前并不重视海上发射,还在于它们对发射场的需求不同。例如欧洲航天发射中心主要依赖位于赤道附近的法属圭亚那,美国最南端的肯尼迪发射中心距离赤道也不远。
虽然俄罗斯使用的拜科努尔和东方航天发射中心纬度较高,但从2009年开始,俄罗斯联盟号火箭也改用法属圭亚那的发射工位进行发射。相比之下,只有中国受地理位置的客观限制,现有的陆地发射场距离赤道较远,不利于进一步降低发射成本。而借助海上发射,中国航天有望打破这些限制,助力商业航天的发射。
第四,海上发射开辟出新的不受限的发射场,有效缓解了陆上发射场日益紧张的发射需求。随着我国商业航天的蓬勃发展,航天发射活动日益频繁,据统计,未来10年,国内商业小卫星的发射需求约为1700颗,国外商业小卫星的发射需求约为6200颗。海上发射,无疑打开了商业发射的新通道。
第五,海上发射运载火箭的运输条件比起陆上发射更佳。在海上可以使用大型货轮运输重型运载火箭,而在陆地上只能使用运载能力小得多的火车等,不太方便。
第六,海上发射平台有利于简化测控方案。此前火箭从陆地发射场升空后,测控信号的发送和收取需要“翻山越岭”,而在海上发射,无遮挡的海平面,非常有利于快速、准确进行测控信号的传输和使用。
第七,海上发射的运营成本相对较少。建设陆地发射场需要支付土地征用费,此外,不可避免地需要开发地面基础设施和相关配套,比如道路交通、能源供给、酒店、学校和医院等。海上平台减少了这些外围成本。即便需要建造海上平台和接驳船等,相对而言费用会少了许多。
海上发射火箭需要攻克哪些难题?首先,海上发射火箭与陆地发射场发射有所不同。火箭发射对稳定性有相当高的要求,因此在海上发射时,通常需要海况较好,而且发射平台也要具备较强的抗风浪能力。
其次,火箭在海上发射前,需要从港口运输到发射海域并进行组装,相关元器件会较长时间处于海洋环境之中,海上潮湿、盐雾的环境将直接影响火箭和卫星等载荷的元器件。为尽量减少这些影响,发射平台最好具备封闭船舱,为火箭创造一个防盐、防湿的无尘环境。
此外,由于发射平台的限制,海上不可能像陆地发射场那样拥有完备的配套设施,因此火箭本身最好具备无依托发射能力。这次发射的长征十一号火箭在此方面就有突出优势。长征十一号火箭具备快速响应、无依托发射能力,能够在极短的时间之内,在不预设发射场地的情况下,择机选择公路或是小场坪进行发射。在海上发射前,只要把火箭竖起来,连接上地面的电缆就可以了。
此次发射任务的成功,标志着我国具备了微小卫星快速组网能力,对提升我国快速进入空间能力具有里程碑意义,有力促进了我国小卫星的规模化发展和应用。海上发射是陆上发射的重要补充,它的灵活机动的发射模式,具有重要的军事价值。这次海上发射试验,填补了我国航天领域的一项空白,进一步丰富了我国的航天运输体系。
捕风一号A/B卫星是此次发射的主要“乘客”。这两颗星都是微纳卫星,整星只有79千克。捕风一号所使用的测风雷达、测控系统、数传系统等功能都极其复杂,每个系统都由天线、射频等诸多类零部件组成。除了天线等无法集成,需布置在卫星舱外,其他部组件均通过设备单板化、单板芯片化、硬件软件化设计思路,构建了适合微纳卫星的微型化高集成形态产品,使得捕风一号卫星“麻雀虽小,五脏俱全”,并且功能还很强大。
中国目前已有的气象监测手段多为探测高层风,其他微波探测方式也难以在任意气象条件下获取海面风场。捕风一号A/B卫星这支国产小卫星“编队”,能通过一双“慧眼”,在500余千米的高空,准确测量海面风场信息,实现对台风的预报。
对海面风场的监测,以往虽有相关技术手段,但都存在一定的不便。比如气象预报经常使用卫星云图来测量海风,但这种方式测出的是位于云层顶端的风,与云层之下、海水之上的风存在一定误差。再如,通过卫星载荷,主动向海面发射微波信号来测量海面风场。但这样一来,卫星不仅重量偏大,要形成实时监测海面风场的星座群更是代价高昂,况且它还对监测风速在每秒50米以上的海风无能为力。
什么样的技术,能够令千里之外的卫星化身为捕风“千里眼”?在人们眼中,风固然无形无影。但在卫星眼中,海面风场可以通过导航反射信号来“显形”,这就是捕风一号A/B星的绝技。近年来,全球卫星导航系统的拓展与成熟,为海面风场探测提供了新的技术。利用导航反射信号对反射面的物理特性和参数进行反演已成为各国新的研究热点。
部分欧美发达国家已发射过相关卫星,利用导航信号来实现对海面高度、海浪、海风、海冰、移动目标等的探测。
导航信号传递到海面后,会发生镜面反射。风平浪静与风急浪高所形成的反射信号有明显差别。有风时,反射信号会随着海浪出现一段一段的变化。风越大,信号变化越剧烈。通过分析时延多普勒功率图像,利用不同参数间的比例关系,可以反演出海面风速数据。导航卫星的L波段,具有良好的大气穿透性,可全天实现对海面风场的信息探测,并可通过多星组网监测,实现对极端台风天气的“精准”预报。
捕风一号是利用全球导航卫星系统(GNSS)来实现捕风的。GNSS信号在海面反射后,会受到海浪影响而发生变化。捕风卫星同时接收中国和美国GNSS直射和反射信号(GNSS-R),通过标定和反演,解码出“起浪”背后的推手“风”的信息。捕风一号利用GNSS-R信号能穿透降水的特点,可获取台风中心厚云或强降水区域高质量海面风场信息,准确测量海面风场,实现精准预报台风。这是我国风云气象卫星大气观测的重要补充。
据悉,在冰川、积雪厚度、土壤湿度等监测方面,捕风卫星也具有广阔应用前景,在生态文明建设中可发挥重要作用。
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捕风一号的升空,并不是终点。由于导航卫星的特性,捕风卫星监测到的风场点是离散的,因此需要继续构建多星星座。而采用被动监测工作模式的捕风卫星具有低成本特性,重量也较轻,适合构建多星星座。
通过此次发射,我国实现了利用卫星导航信号进行海面风场探测零的突破,对今后台风预警、防灾减灾具有重要意义。今后,我国将逐步构建捕风卫星星座,通过多颗卫星协同观测,实现更大范围、更高精度甚至准实时监测全球范围内的海面风场,更加精准地预警台风。