中国新型北斗卫星有3个重大创新 使用太空摆渡车

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吊装中的美国“半人马座”上面级

 刚刚发射的这颗卫星是我国首颗用于全球组网的新一代北斗导航卫星,我国新一代导航卫星都有哪些技术创新?
3月31日,相关专家在接受记者采访时表示,新一代北斗导航卫星在技术上实现了重大突破,可以概括为“三新”。

3月30日21时52分,中国在西昌卫星发射中心用长征三号丙运载火箭,成功将首颗新一代北斗导航卫星发射升空,卫星顺利进入预定轨道。此次发射的新一代北斗导航卫星是中国发射的第17颗北斗导航卫星,将开展新型导航信号体制、星间链路等试验验证工作,为北斗卫星导航系统全球组网建设提供依据。

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  太空摆渡车兼具运载器与航天器的技术特性,是在运载火箭或重复使用运载工具上面,增加的相对独立的一级或多级,可依靠自身动力携带航天器继续飞行。(资料图)

  2015年是中国航天发射的又一个密集年,计划完成20次宇航发射,将超过40个航天器送入太空。而3月30日这一天将成为中国航天再创多项第一的日子:新一代上面级远征一号即将以“太空摆渡车”的使命迎来首次太空之旅。“上面级”是什么?“远征一号”未来又将担负什么样的太空发射任务?它的出现将带给中国航天哪些深刻的变化呢?或许可以从远征一号这个名称中看到一些端倪。

  一新:直接入轨发射

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  新华网北京3月3日电(记者王敏、任沁沁)全国政协委员、航天科技集团中国运载火箭技术研究院党委书记梁小虹3日接受记者采访时表示,中国首个“太空摆渡车”今年将首飞,在未来的探月、探火等深空探测任务,在轨道转移、空间碎片清理等轨道服务,在新材料、新技术验证等空间试验领域等将发挥重要作用。

  远征一号上面级是什么?

  3月31日,中国在西昌卫星发射中心用长征三号丙运载火箭,成功将首颗新一代北斗导航卫星发射升空。细心的人们注意到这发火箭体型“更高”——在长征三号丙运载火箭顶层加装了“远征一号上面级”。

  梁小虹介绍,中国运载火箭技术研究院研制的远征一号上面级,今年首飞在即。上面级是一种由基础级运载器发射进入准地球轨道或地球轨道,能够进一步将有效载荷从准地球轨道或地球轨道送入预定工作轨道或预定空间位置的具有自主独立性的飞行器。

  所谓上面级就是运载火箭最上面的一级或多级,其以下的几级火箭被称为基础级。上面级有自主轨道机动能力,在轨飞行时间长,一般可多次启动点火,满足不同发射任务需求,能将一个或多个有效载荷(如卫星、空间探测器等)送入预定轨道,就如同机场的摆渡车。使用上面级可以大大减少有效载荷自身的燃料消耗,从而大大延长工作寿命。

  长征三号丙/远征一号运载火箭总设计师姜杰介绍,远征一号上面级是一级独立飞行器,即远征一号上面级。远征一号上面级被形象地称为“太空摆渡车”,可在太空将一个或多个航天器直接送入不同的轨道。这是我国首次采用该项技术执行中高轨航天器发射任务。

  从上世纪80年代末开始,中国先后研制出多型固体推进剂上面级,共进行了10次飞行,全部取得圆满成功。但此前的上面级均为满足某种单一任务而研制,远征一号上面级则同时具备了多种特性,被火箭设计师称为真正意义的“太空摆渡车”。

  据长征-3A系列运载火箭总设计师姜杰在两会期间接受专访时透露,长征-3C/远征-1是在原本3级的长征-3C火箭上面增加一级,从而变成4级火箭。4级火箭的主要任务是搭载可以直接入轨的卫星。以往的3级火箭只能将卫星送至转移轨道,即3级火箭发射的轨道是椭圆的,卫星需要变轨为圆形轨道。而改进后的4级火箭可以直接将卫星发送至距离更为遥远的目标轨道,卫星不需要再变轨。3级火箭的飞行只需要半小时左右,而4级火箭则需要飞行4~6小时,能飞到几万公里的外太空。

  “以往采用转移轨道发射,比如探月工程采用直接地月转移轨道,让卫星经过几次变轨再进入工作轨道。这次有了远征一号上面级,可以直接把卫星送入高轨道的工作轨道。”姜杰介绍,此举让卫星快速进入空间,“经过6个小时左右飞行,达到高度为36000公里的地球静止轨道。以往达到相应的高度需要数天。”

  梁小虹介绍说,“太空摆渡车”主要有四大特点:

  远征一号将为谁“摆渡”?

  专家表示,采用直接入轨发射方式还可使卫星不必携带过多燃料,有助于实现卫星轻量化及“一箭多星”发射。

  ——兼具运载器与航天器的技术特性,是在运载火箭或重复使用运载工具上面,增加的相对独立的一级或多级,可依靠自身动力携带航天器继续飞行。

  对于30日远征一号将要摆渡的首个“客人”是谁,中国航天业界并不愿过多评论。不过国内媒体此前曾公开报道称,2015年我国计划发射4颗“北斗”全球导航试验卫星,对全球导航卫星系统中的新技术进行验证。

  二新:首次验证星间链路

  ——可多次启动。运载火箭将其送入太空后,“太空摆渡车”能多次点火启动,满足不同发射任务的需求。

  据中国运载火箭研究院党委书记梁小虹在两会期间介绍,新研制的远征-1上面级有四大特点:一是兼具运载器与航天器的技术特性。它是在运载火箭或重复使用运载工具上面增加的相对独立的一级或多级,可依靠自身动力携带航天器继续飞行。二是可多次启动。运载火箭将其送入太空后,上面级能多次点火启动,满足不同发射任务的需求。三是工作时间长。上面级长于运载火箭的工作时间,可以达到数小时、数天乃至数十天。远征-1上面级首次采用了液体推进剂,在轨工作时间为6.5小时。四是可以先后把不同“乘客”送到不同目的地。在太空,上面级接力火箭继续执行飞行任务,可通过飞行轨道的变化,将携带的一个或多个航天器直接送到工作地点。

  北斗卫星导航系统总设计师杨长风介绍,首颗新一代北斗导航卫星将开展新型导航信号体制、星间链路等试验验证工作。

  ——工作时间长。长于运载火箭的工作时间,可以达到数小时、数天乃至数十天。

  由于上面级拥有众多优点,美俄等国很早就在研制并使用。美国目前总共研制出10多种上面级,用于发射大、中、小型有效载荷。如“阿金纳”、变轨级、有效载荷助推舱/Star-48B、惰性上面级、“半人马座”上面级等。

  “前期的导航卫星,星间没有导航通信链路的,从这颗卫星开始,我们国家的北斗导航卫星都具备了星间链路。通过星间链路,将来可以实现北斗卫星全球系统自主导航。”杨长风说。

  ——可以先后把不同“乘客”送到不同目的地。在太空,“太空摆渡车”接力火箭继续执行飞行任务,可通过飞行轨道的变化,将携带的一个或多个航天器直接送到工作地点。

  苏联/俄罗斯也先后打造了各种上面级。如D段、DM段、DM-SL段、微风-KM、微风-M和“弗雷盖特”等上面级。欧洲航天局后发制人起点高,研制了可贮存液体上面级EPS以及低温上面级ESC-A和ESC-B。这些航天大国,不仅用装有上面级的运载火箭把卫星直接送入轨道,美国还曾用航天飞机发射卫星和空间探测器,它是靠装在货舱内的有效载荷助推舱/Star-48B上面级来发射。目前,为了降低卫星成本,美国GPS-2F导航卫星不用远地点发动机入轨,而用装有上面级的“宇宙神-5”或“德尔塔-4”火箭直接送入工作轨道。

  星间链路是指用于卫星之间通信的链路,通过星间链路可以将多颗卫星互联在一起,实现卫星之间的信息传输和交换。

  此外,此次研制的远征一号上面级首次采用了液体推进剂,在轨工作时间为6.5小时。“太空摆渡车”的问世,将大大增强中国运载火箭的任务适应性。

  上面级也常用于“一箭多星”发射,以有效降低发射成本。美国的“半人马座”、俄罗斯的微风-M、欧洲的EPS等著名上面级,具有多次变轨、高精度导航、星箭接口适应性强等特点,都具备多星多轨道发射能力,进行快速组网。如2015年3月28日(北京时间),装有“弗雷盖特”上面级的俄罗斯联盟-ST火箭就一举发射了第7颗和第8颗欧洲“伽利略”导航卫星,把它们分别送到两个轨道面。美国甚至还用上面级完成某些特殊任务,比如用“半人马座”上面级先将美国“月球陨坑观测与感知卫星”送至月球轨道,然后用“半人马座”上面级对月球进行撞击。

  卫星研制方面专家称,星间链路可以引发自主导航技术,有助于提高测定轨道和授时精度。这同时意味着减少地面测控站对导航卫星的信息上行注入等各方面的操作次数,减少对地面布站的依赖,有效降低系统的运行管理成本。

  据了解,上面级受到世界各国的普遍重视,截至目前,世界航天大国先后研发的上面级达数十种之多。

  远征一号不只是一个任务型号,而是系列编号

  三新:核心部件与卫星平台

  据了解,从上世纪80年代末开始,中国先后研制出多型固体推进剂上面级,并进行了多次飞行,全部取得圆满成功。但此前的上面级均为满足某种单一任务而研制,只具有一次启动能力,工作时间较短,对于更多发射任务适应性较弱。远征一号作为一种液体推进剂上面级,有望成为中国航天领域真正意义上的“太空摆渡车”。

  这颗卫星由上海微小卫星工程中心研制。研制团队介绍,卫星采用国产化器件,做到自主可控,最具特点的是中国科学院计算所自主研发的通用中央处理器(CPU)“龙芯”和国产化铷原子钟。

  梁小虹表示,为加强中国航天在深空探测、空间试验等空间领域的探索和服务能力,中国运载火箭技术研究院将按照系列化发展的思路,在远征一号的基础上逐步构建多种类、多用途的上面级产品。

  上海微小卫星工程中心由中国科学院和上海市政府合作共建,这颗卫星也是首次采用中科院导航卫星专用平台,其特点在于轻量化结构设计,适用于“一箭多星”发射模式。

  北斗系统全球组网首发星总设计师林宝军表示,卫星研制过程采用“功能链”的设计理念,打破以往的分系统设计理念,有效降低了卫星重量和功耗。

  谈及卫星研发目标,林宝军表示一方面是提高卫星的稳定性,“比如设计寿命达到10年以上,同时减少中断率”,另一方面是降低卫星成本,让卫星“再小一些,一次多发几颗”。

 

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