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太空摆渡车 (航空航天)

中国首个“太空摆渡车”远征一号,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。2020-02-20,中国航天科技集团公司第一研究院透露,中国计划在2018年发射新型“太空摆渡车”。

中文名
太空摆渡车
功能
探月、探火、深空探测
中国首飞
2014年

1简介

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中国首个“太空摆渡车”,长征-3C/远征一号,在未来的探月、探火等深空探测任务。

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。

2017116日,中国航天科技集团公司第一研究院透露,中国“太空摆渡车”有望在2018年新添成员:远征一号乙上面级将与长征二号丙运载火箭组合,执行太阳同步轨道发射任务。

2技术特点

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具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。

1.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。

2.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。

3.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。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。

4.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。

3远征一号

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我国首个“太空摆渡车”2014年首飞,在21世纪的探月、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。

中国运载火箭技术研究院研制的远征一号上面级,2014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。

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”。

4技术优势

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运载火箭是将有效载荷送上太空的运输工具,是由多级火箭组成的。上面级也是运载火箭的其中一级火箭,即运载火箭最上面的一级(或数级),也是最后一级火箭。上面级以下的几级被称为基础级。

最初的运载火箭都不带上面级,后来为了满足有效载荷不同发射任务的需求,上面级才脱颖而出。有效载荷通常由基础级运载器发射进入准地球轨道或地球轨道,再进一步由上面级送入预定工作轨道或预定空间位置。

之所以称上面级为“太空摆渡车”,是因为运载火箭基础级已经把“乘客”送上了太空,只不过还没有到达最终目的地而已。这时,只有靠上面级的多次点火,给有效载荷(“乘客”)再多加几把力,“乘客”才能到达想要去的位置。这就如同乘客乘车到了飞机场以后,仍然上不了飞机,需要再乘机场的摆渡车才能到飞机跟前一样。

两个足球队打比赛,其中一队的一些队员把球已经传到了对方的球门附近,这时候,一个队员飞起一脚,将球射入球门。这最后的临门一脚决定着比赛的胜败。上面级也一样,不管运载火箭基础级工作得多么优秀,运行得多么顺利,只要上面级出了问题,“乘客”仍然到不了目的地,整个发射也算失败。最近两年俄罗斯运载火箭先后出现了6次重大发射失败,其中5次是上面级惹的祸。

由于上面级的结构复杂,空中点火次数多,工作时间较长,因此,它与基础级相比更容易出现故障。

5新型“太空摆渡车”

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2017116日,中国航天科技集团公司第一研究院透露,中国“太空摆渡车”有望在2018年新添成员:远征一号乙上面级将与长征二号丙运载火箭组合,执行太阳同步轨道发射任务。

6其他国家

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美、俄(前苏联)等航天大国从20世纪五六十年代就开始发展上面级技术,已经研发出的上面级达数十种。公开资料显示,美国在20世纪50年代末就开始进行上面级的研制,到现今共研制出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。典型的有“阿金纳”和“半人马座”上面级。美国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。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。

欧洲在上面级技术方面虽然起步较晚,但其技术起点高,其上面级具有性能好和适应性强的特点,市场竞争力很强,研制了可贮存液体上面级EPS以及低温上面级ESC-AESC-B

随着近几年来各国的发展和完善,运载火箭的上面级通常具有功能多、工作时间长等特点,可在太空中多次点火启动,能携带多个航天器,通过飞行轨道的变化可先后把不同航天器送到不同目的地,满足不同发射任务的需求。

针对运载火箭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,许多一箭多星任务可由上面级完成。如欧空局计划采用一箭双星的发射方式分两次向两个轨道面发射“伽利略”导航卫星

而当地球静止轨道卫星平台未装远地点发动机时,只能依赖火箭上面级直接送入轨道。自1978年以来,美国前五代GPS导航卫星已发射57颗,分别用“宇宙神”“德尔塔”等运载火箭送入转移轨道后星箭分离,再依靠远地点发动机到达工作轨道。与前五代GPS卫星相比,第六代GPS导航卫星不用远地点发动机入轨,而用有上面级的“德尔塔-4M”或“宇宙神-5”运载火箭直接送入工作轨道。

另外,通过轨道设计,上面级可满足一些任务的特定要求。如“半人马座”上面级将美国“月球陨坑观测与感知卫星”运送至月球轨道,并先后撞击了月球。

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参考资料

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[1].中国计划在2018年发射新型“太空摆渡车”
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