天鏈二號03星升空“中繼衛星天團”陣容升級
2022-09-17 03:52:08鄧雨楠顧航瑜
太空探索 2022年9期
文/鄧雨楠 顧航瑜
7月13日，在西昌衛星發射中心，長征三號乙運載火箭將天鏈二號03星送入太空。衛星隨后準確進入地球同步轉移軌道，這標志著我國第二代地球同步軌道數據中繼衛星成功組網運行，可具備滿足中低軌道航天器全球覆蓋的能力，并提供24小時無間斷通信。
隨著天鏈二號03星的成功發射，我國中繼衛星數量增加至8顆，“中繼衛星天團”陣容再次升級。
▲ 長征三號乙運載火箭發射天鏈二號03星。白肖飛 攝
“太空傳話烽火臺”又上新
自2008年4月天鏈一號01星成功發射，到2022年天鏈二號03星成功發射，我國天鏈中繼衛星系統已經形成了兩代中繼衛星相互兼容、在軌協同組網工作的局面。
2008～2012年，我國先后發射天鏈一號01～03星，3顆衛星實現組網運行，標志著我國第一代數據中繼衛星系統建成，開創了我國天基測控和數據傳輸的新紀元。隨后，天鏈一號04星、05星陸續成功入軌并完成在軌測試，與天鏈一號01～03星實現全球組網運行。
中繼衛星主要是服務于航天器的衛星，通俗地講，就像是“衛星的衛星”。中繼衛星被放置在距離地球3.6萬千米的同步軌道高度，它可以“居高臨下”觀測在中低軌道運行的航天器，為其提供天基測控服務，或將獲得的數據回傳至地面站。
“這個軌道高度的衛星環繞地球一圈時間與地球自轉一圈時間恰好一樣，因而相對我們靜止。這樣就相當于在太空中擁有一座座‘傳話的烽火臺’，這些烽火臺之間也可以彼此通信，只需3顆就可以實現對地球所有點全覆蓋。”天鏈二號03星總指揮張鵬介紹。
“與第一代中繼衛星相比，第二代中繼衛星是一次躍遷式的升級。”天鏈二號03星副總師李向陽介紹，天鏈二號03星與02星是“孿生兄弟”，技術狀態高度一致，在充分繼承天鏈二號01星研制過程中積累的成熟技術和研制經驗的同時，進行了多項技術升級和優化。
▲ 天鏈一號中繼衛星服務神舟飛船
首先是擴大服務目標用戶數量。相比于“天鏈”一代衛星，“天鏈”二代衛星可以同時為多出幾倍的用戶提供服務，且覆蓋范圍更廣泛，可以實現為200千米至2萬千米軌道高度以內的用戶航天器服務。同時，中繼衛星對在軌用戶的實時管控能力和接入能力也得到極大的提升。
其次是提高衛星在軌機動能力。為應對衛星多軌位變化需求，天鏈二號02星和03星由適用于單區單軌位工作，改進為可適用于多區多軌位工作的設計，即可以適用于軌道上現有的全部軌位，這大大提高了衛星在軌道上的機動能力。
“單星機動能力的提高會極大地提升整個天鏈中繼衛星系統的健壯性和靈活性。”天鏈二號03星主任設計師高令飛說，良好的軌道機動能力，可以使衛星在執行任務時具有更大的彈性，可根據需要多次進行軌道調整。
▲ 天鏈二號中繼衛星環繞地球示意圖
此外衛星平臺的適應性和兼容性也有所增強。天鏈二號02星和03星啟動研制時，核心單機都已實現國產化，且產品性能穩定。同時，衛星研制團隊通過對衛星架構設計以及硬件與軟件的通用化、模塊化設計等手段，使得衛星平臺的硬件設備與主要軟件系統功能完備、適應性兼容性強，達到去任務化的目的。
飛船位置捕獲能力更強
對于中繼衛星來說，最主要的任務是為載人飛船和載人空間站提供天基遙測和數據中繼服務，例如天地通話、太空授課、交會對接、出艙活動等重要任務就是以天鏈中繼衛星為主來保證各航天器的測控和天地雙向數據圖像傳輸。
隨著技術的發展，中繼衛星在使用中逐漸拓展了需求。如今，中繼系列衛星還可為中低軌具有實時大數據回傳需求的航天器提供服務。
“之前，衛星發射過程中，我們都會派出遠望測量船，配合海外陸基測控站，執行?；欣^傳輸任務，出航成本高，測控弧段有限?！碧戽湺?3星副總指揮詹克強透露，有了中繼衛星，就可以搭載天鏈衛星的中繼終端，在中低軌道運行的過程中，直接通過天鏈衛星提供測控與數傳。
當下，3.6萬千米外的太空又多了一顆中繼衛星，當它加入天鏈中繼衛星系統大家庭后，會發揮出遠超過單星力量的作用。
未來它的應用場景會越來越多，對提高載人航天器、中低軌航天器信息回傳時效性、在軌運行安全性和任務實施靈活性都會發揮重要作用。
當然，天鏈二號03星想要滿足用戶更多任務需求，其研發過程也必然要克服更多的技術難題。
天鏈二號03星是采用東方紅四號平臺研制的。整星的有效載荷分為天線、轉發器以及捕跟分系統，最關鍵的就是負責捕獲跟蹤的天線。
“這兩副天線提供了衛星大范圍、高精度捕獲跟蹤目標用戶和為用戶提供高速數傳的功能。該天線的性能至今仍處于國際領先水平?！睆堸i說，能做到的國家少，就是因為這項技術難。
在天線結構生產環節，研制團隊嚴格篩選參數較為均衡一致的零件，組裝成產品，成品后還要在真空環境下進行高低溫循環考核，對天線在最惡劣環境下的指標狀況加以驗證。
▲ 中繼衛星“接力”工作示意圖
作為一款中繼衛星，如果想要保持衛星與飛船間的通信鏈路，就要使用高精度捕獲飛船位置的技術。這些技術難題都決定了天鏈二號03星要比一般衛星研制周期更長。
“像大角度轉動的試驗驗證，要在真空環境下，進行數以萬計的試驗，才能保證其使用壽命滿足指標要求，如此試驗對我們而言既是常態更是標準?！备吡铒w說。
“金牌勞?！膘顫裆详?/h2>
值得一提的是，這次發射任務并非一帆風順，被譽為“金牌火箭”的長征三號乙運載火箭面臨不利條件?？蒲腥藛T努力克服困難，確保成功發射，其中很多細節值得品味。
發射前，火箭要陸續完成總裝、測試等各項準備工作。根據氣象系統預報，6月26～27日將會迎來一輪降雨，而火箭轉場任務原定日期正是6月27日。這意味著計劃要臨時調整。
6月25日上午，載著火箭的轉運車提前2天從技術測試區駛出。其實，火箭在“乘車”出發時并不是整機，而是分級放置的，不同子級的箭體要分別運輸，待運輸至發射區后，再像搭積木一樣完成火箭“站立”準備工作。整個過程并不輕松，一般需要2天才能完成。
▲ 火箭部件艙段轉場
考慮到火箭在轉場運輸的時候會暴露在自然環境中，如果遇到超量的降雨，就會對火箭的電氣系統、電子元器件等造成影響。試驗隊改變原有計劃，將暴露在外的大部段箭體先行運輸，再進行箭體內部的機構安裝。最終火箭順利完成組裝合體工作，平穩“站立”，發射開始進入倒計時。
在火箭進行第二次總檢查的前一天，西昌突然下起了大雨。要知道，火箭最怕受潮，遭受大雨肆虐后，濕度迅速上升?？蒲腥藛T爬上塔架，花了近2個小時，查找受潮產品和部位，并往箭體里注入干燥空氣，將濕度控制在30%至60%之間，確保了火箭第二次總檢查順利進行。
火箭轉到發射區之后，輪番演練接踵而至，比如火箭發射之前要進行激光慣組瞄準測試。簡單來說，如果把火箭發射比作狙擊手瞄準射擊，火箭好比子彈，航天器可以看作彈頭，發射塔架就是狙擊步槍，而火箭使用的瞄準儀就是狙擊步槍的瞄準鏡。不過，與狙擊手射擊不同的是，火箭瞄準的是航天器的入軌點，遠比狙擊手瞄準要復雜得多，被形象地形容為“萬人一桿槍的事業”。
火箭發射之后要想精確入軌，離不開瞄準這一環節。只有保證各項工作、產品狀態以及參數測試數據結果的正確，才能確?；鸺闇示日`差控制在分秒級以內。
由于疫情影響，現場人手緊張。科研人員在塔架反復爬上跑下，確認火箭狀態正常，部件安裝合格，通過前后方反復核對測試數據，最終迎來發射成功。
