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如何让卫星经济实惠地“下车”
来源:国家国防科工局    发布日期:2023年09月11日    点击率:7698次

以四点连接与分离为例,一颗卫星需要4发火工品起爆解锁,如果一箭十星的话,就需要40发火工品,耗资相当于一辆价值百万元的汽车。

在探索宇宙的旅程中,人类一直在寻求以更有效、更经济的方式将卫星送入太空。最初,一枚火箭只能把一颗卫星送上太空,到了今天一箭多星发射已日趋成熟。多星如何与火箭连接?它们又是如何经济实惠地“下车”进入预定轨道的呢?

卫星从系上“安全带”、解开“安全带”再到“下车”的全过程,也就是星箭的连接、解锁和分离“三部曲”。

卫星乘“车”时,为了保证牢和稳,需要佩戴“安全带”。大型航天器常用包带式,类似于连接卫星和火箭的一条腰带;小型航天器常用灵活度更高的多点连接式,简单来说,就是把卫星底部的几个点与火箭连接。

在到达预定轨道后,卫星就要解开“安全带”准备“下车”。由于星箭之间连接得很紧,需要一股外力来解开“安全带”。根据卫星的规模和质量,可选择“火工”或者“非火工”装置提供动力源来解锁。

一般来说,用火工品装置来解锁,可以理解为用炸药炸开卫星的“安全带”,这在星箭分离中应用最为广泛,具有高可靠性、高同步性等优点,是大型卫星解锁的不二之选。但一发火工品的价格为数万元,以四点连接和分离为例,单星解锁直接消耗的火工品成本接近10万元。

对于微型卫星,可以选择非火工装置解开“安全带”,也就是不需要“炸”开解锁,可以通过包括形状记忆合金装置、热切割装置等方式进行解锁,一般具有分离冲击小、可重复使用等特点。但由于非火工装置固有特性的局限,大承载、高同步难以同时保证,该方式暂时还不能应用于大型卫星的解锁。

星箭解锁之后,卫星就可以按部就班地“下车”去太空翱翔了。传统一箭N星的星箭分离过程相当于一箭一星乘以N。这种多星发射任务,每颗卫星会配套独立的连接解锁装置,相当于每颗卫星都有自己的“座位”和“安全带”,每解开一次安全带都需要炸药提供一次动力源,成本就伴随着每次爆炸而消耗掉了。还是以四点连接与分离为例,一颗卫星需要4发火工品起爆解锁,如果一箭十星的话,就需要40发火工品,耗资相当于一辆价值百万元的汽车,正式发射前地面试验一次就要消耗一组炸药,这都导致了发射成本的增加。

为了提高发射效率和节约发射成本,就需要不断在卫星构型的设计和解锁分离机构的研发方面下大功夫。比如从卫星的构型入手,让卫星的构型更扁平适合堆叠。以近日成功发射的我国首款使用柔性太阳翼的平板可堆叠卫星为例,不仅它的平板构型能够让多颗卫星像书本一样摞在一起,充分利用火箭整流罩内的空间,它的分离机构更是以后的省钱妙招。

这颗卫星的星箭分离创新使用了堆叠压紧分离机构。采用该机构解锁分离,未来多星堆叠形成组合体后,只需要一副“安全带”就可以连接组合体和火箭;到达“下车”地点时,也只需要一套火工品来提供解锁动力,实现多星统一“抛撒”,相应地也就节约了成本。

随着设计和技术的进步,分离机构将更轻、更快、更智能,堆叠式卫星连接与分离、星箭接口通用化、星箭一体化等技术,都将成为未来多型批量发射部署的重要发展方向,为卫星的商业化提供更多可能,打开航天技术的新纪元。

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