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你还在拼车、拼团?一起拼船上火箭啊

[ 来源:科普中国 | 作者:科普中国 | 发布时间:2023-01-13 | 浏览:1366次 ]

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在共享经济飞速发展的时代,大家几乎可以“拼”到一切:“拼车”、“拼玩”、“拼团”,各种花样百出的“拼”经济占据了大家的生活。说到底,“拼”经济,也就是通过“薄利多销”的原理,一方面使买家拿到更低的价格,另一方面使卖家获得更多的利润。但是,你听过“拼团”发射火箭吗?为什么卫星上天还要“拼车”,这样做的好处是什么?让我们一起来看看。

卫星发射要拼车:“拼团”搭乘火箭好处多多

2021年7月9日,在太原卫星发射中心,长征六号运载火箭将“钟子号”02组卫星送入预定轨道,发射取得圆满成功。此次也是今年以来,长征六号第二次执行国内商业发射任务,不久前长征六号已通过一箭多星方式成功将国内外用户多颗商业卫星送上天。

传统的卫星发射方式是用一枚火箭发射一颗卫星,而准备一次火箭发射,需要耗资数千万元和历时数年,工作量相当大;但如果把多颗卫星搭在一起,用一枚运载火箭同时或先后将数颗卫星送入轨道,则可以让卫星的发射成本大大降低。

“一箭多星”技术即此运用而生。1981年9月20日开始,我国用“风暴1号”火箭发射了三颗科学试验卫星,成为世界上第四个掌握一箭多星的技术的国家。目前“一箭多星”的卫星发射方式在国际上也很流行,2021年1月24日,美国太空探索技术公司“猎鹰9”火箭携带143颗卫星升空,创下单次发射卫星数目之最。先前纪录由印度PSLV-C37型极地卫星运载火箭保持,在2017年2月把104颗卫星送入预定轨道。

理论上,火箭越大、运载力越强,则火箭的“一箭多星”能力越强。然而,对于卫星发射、特别是商业发射,则并不是火箭运力越大越好——随着微电子技术的发展,卫星也越做越小,各种立方星、微小卫星概念火爆。

以2019年为例,我国发射约80颗卫星,其中微小卫星占比达67.5%,而在未来5-10年,我国商业小卫星的发射需求超4000颗。这些卫星往往只有数十公斤甚至数公斤级,要凑足“大火箭”数吨级的全载荷上百颗进行发射任务,即会拉长“拼车”时间,而即便拼够了全载荷又会面临空间不够的问题。火箭的小型化、快速化也成为卫星商业发射主要趋势。

新一代火箭中的“快递小哥”:长征六号

随着卫星越来越便宜、发射任务时间敏感性越来越高,对单次运输价格要求也越来越低。作为国际商业发射市场上一支不可忽视的新兴力量,我国对一种低成本、可发射各种卫星载荷的新型火箭需求也愈发迫切。而长征6号即是我国为满足此类需求的新一代运载火箭。

长征6号及衍生型号主要用于替换长征2CD型号、长征4系列等运载火箭。在测控条件允许的情况下,其主要面向的市场——SSO(太阳静止轨道,几乎运行在极轨上,轨道高度一般在700km左右)轨道运力达到1吨,解决了我国没有小型运载火箭的、发射小型卫星运力过剩的问题。在只使用本土测控的情况下,500千克运力也能满足相当一部分SSO载荷。这也意味着载荷较轻的卫星发射任务时,无需调用远望号测量船、中继卫星与境外测控站即可完成遥测任务,大大降低了发射任务中的遥测成本。

作为我国新一代运载火箭商业发射的先行者,从投入运营伊始便走上了“一箭多星”的商业道路。而一次把多颗卫星“天女散花”,看起来很美做起来却不易,需要解决的关键技术就是要防止大量卫星在释放时星箭和星与星之间的碰撞,还要考虑不同尺寸、不同运作轨道卫星运作兼容问题。为此,长征六号首次采用系列化、标准化的多星发射接口装置,可以高精度调姿和实现正推轨道控制火箭末级、‘多星轨道周期控制方法’等技术,确保卫星的分离速度、方向各不相同,将多颗卫星间及与卫星与火箭末级的轨道周期拉开后越飞越远,保证了星星间、星箭间的安全距离。

截至目前,长征六号已成功进行了6次商业发射任务,自2015年9月20日首次发射便将20枚微小卫星送上太空轨道,刷新了我国一箭多星的发射新纪录,而后进行了5次商业发射任务,也均为“一箭多星”发射模式,成功率100%。

发射成本:运费立减?先从燃料入手

与火箭本体相比,火箭发射任务中还有一笔不大不小的费用——燃料费。

本着“苍蝇肉也是肉”的原则,火箭燃料自然越便宜越好。在长征六号升空前,我国的商业运载火箭主要使用偏二甲肼/四氧化二氮(氧化剂),它是种较贵的燃料:国际均价约合300$/kg。以目前我国商业发射运载火箭的主力之一长征三号乙运载火箭为例,其商业发射推销报价约合6000万美元,火箭出厂价约合1500万美元。该火箭使用的燃料(一二级为偏二甲肼/四氧化二氮),费用折合约300万美元,约占发射报价的5%,火箭成本(含燃料)的16%。

另一方面肼基燃料由于毒性大,储存与加注时需要格外注意,落地的火箭残骸还会对环境造成污染。因此,在环保要求越来越高的今天,长征6号摒弃了传统肼燃料,采用了一种便宜又省心的燃料发动机:YF-100/YF-77液氧/煤油火箭发动机作为火箭一二级发动机。作为新一代运载火箭的成员之一,长征6号配备的火箭发动机在设计之初就考虑到模块化,其YF-100是长征5号的助推器、YF-77则与长征7号的二级火箭通用。高度通用性减少了新一代火箭发动机种类、增大产量摊低成本。而这一代火箭发动机的共同点即是“用料”干净、省心、便宜。

与偏二甲肼相比,YF-100/YF-77发动机采用的煤基航天煤油依托我国丰富的煤炭资源,造价更为低廉,对外依存度也更低,配合制备方便的液氧可将每公斤燃料成本从数百美元级降低到数美元级,即便考虑到低温燃料在储存、加注中损耗仍可将燃料成本降低2/3以上;煤油/液氧燃料的另一突出特点是无毒无害,对发射场与人员更加“友好”,燃烧只生成水和二氧化碳。此外,由于煤油/液氧相对于传统肼燃料腐蚀性极低,使得火箭发动机具备多次试车的能力,也让长征六号火箭的发动机未来具备可重复使用的潜力。

各款液体火箭推进剂国际价格,其中长征6号采用的航天煤油规格与RP-1燃料近似,与四氧化二氮/ 偏二甲肼(UDMH)相比成本可谓低廉

便宜、省心的燃料仅是长征6号省钱的第一步,长征6号还在省燃料上也下了一番功夫。长征6号一二级发动机均采用高压补燃循环(又称分级燃烧循环)技术,由于高压补燃循环的主要优势是所有燃气和热量都通过燃烧室排放,使长征6号的火箭发动机在试车测试中即达到了98%的燃烧效率;而燃烧室压力承受能力高的特别,则使更大膨胀比的喷嘴可以用在发动机上,而提高火箭发动机比重,使火箭里的每一滴燃料都使用到极致。

快速发货,“趟平”也是最佳选择?

除了发射便宜,快速发射也是长征六号运载火箭的一大看点。

通过水平整体测试、水平整体星箭对接、水平整体运输起竖发射的“三平技术”,长征6号的发射准备周期被大大压缩。与之对应的,无论是我国的长征十一还是美国的“牛头怪”、日本“艾普斯龙”等这些以快速发射能力著称的固体火箭,发射准备周期都需7-16日,而长征6号最多只需7天即可将客户载荷运送上天。

伴随着长征六号的不断升空,我国新一代运载火箭密集投入商业航天使用的序幕也由此拉开。可以想象在不远的未来,长征六号火箭将迎来较为繁忙的国际、国内商业订单履约期,一次又一次执行一箭N星的发射任务,满足各种客户的发射需求。