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全国两会期间,全国政协委员、中国航天科技集团一院党委书记梁小虹透露,由该院研制的我国首个“太空摆渡车”——“远征一号”将于今年首次试飞。虽然此次首飞试验不执行具体任务,但据悉将会模拟未来任务的全过程。航空科普专家、《航空知识》副主编王亚男在接受《中国科学报》记者采访时表示,“太空摆渡车”可视为航空领域又一“门槛级”技术,“远征一号”首飞成功则意味着我国在航空航天技术领域再进一步。

梁小虹也指出,掌握该技术后,“太空摆渡车”将在我国未来的月球、火星等深空探测任务中,在轨道转移、空间碎片清理等轨道服务中,在新材料、新技术验证等空间试验领域中发挥重要作用。

多用途的上面级

专家介绍说,“太空摆渡车”并不神秘,它只是运载火箭最上面的一级(或数级),也是最后一级(上面级以下的几级被称为基础级),简称之为“上面级”。通常,有效载荷(如卫星等)通常和上面级一起,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。

据媒体报道,自上世纪80年代末开始,我国先后研制出多型固体推进剂上面级,共进行了10次飞行,全部取得成功。但这些只能满足某种单一任务,尚不具备处理复杂太空任务的能力。

那么,“远征一号”与此前的运载火箭上面级有何区别?

军事评论员宋忠平在接受《中国科学报》记者采访时说,此前的运载火箭上面级多采用固体推进剂,无法重复点火,故其所能执行的任务也比较单一;“远征一号”上面级采用液体推进剂,能够多次启动,在太空工作时间较长,可以执行多项、复杂任务。

“比如一次发射两个以上卫星,这几个卫星处于不同轨道。运载火箭推送到第一个预定轨道,上面级点火释放一颗,到另外轨道,上面级再点火释放另外一颗,如此类推。”宋忠平说,“不妨认为它是一种货运飞船,既是一个运载工具,又是一个航天器,兼具二者的特性。”

宋忠平告诉记者,“远征一号”上面级最大的特点就是液体推进剂赋予它的具备多次重复启动的能力。

也就是说,“远征一号”上面级不再是单纯的运载火箭中的一级,或者说它已不仅仅是个运载工具,到了太空,它就成了“太空摆渡车”,背负起将有效载荷送入指定目的地的责任。

王亚男还指出,被称之为“太空摆渡车”的上面级,作为具有一定的轨道机动能力的末段运载器,不仅能够满足航天器的变轨需求,增强了发射效率,还有利于延长卫星在轨运行的寿命。

而由于“远征一号”上面级要求同时具备多种特性,被火箭设计师称之为真正意义上的“太空摆渡车”。

发射卫星新手段

据媒体报道,“远征一号”是我国首次采用液体推进剂的上面级,在轨工作时间可达6.5小时。

“远征一号”上面级能够“在轨工作6.5小时”是什么概念?王亚男告诉记者,6.5个小时足够部分卫星完成大幅度的变轨,或者完成某种卫星较为复杂的发射和入轨。

“‘太空摆渡车’在太空的机动运输能力很强。”王亚男认为。“太空摆渡车”的问世,将大大增强我国运载火箭的任务适应性。

宋忠平补充说,从上面级自身整体设计来看,它本身应有姿态控制系统和导航系统,作为小型“货运飞船”,它能向各级轨道输送更多有效载荷。“‘远征一号’连续工作6.5小时,这时间足够把不同载荷运载到不同轨道;而且这几个轨道可能差异很大,包括近地轨道、中高度轨道、远地轨道的连续变轨。”

记者了解到,预定于地球同步转移轨道(或称“地球静止轨道”,特指卫星或人造卫星垂直于地球赤道上方的正圆形地球同步轨道)环境运行的卫星通常可依赖火箭上面级将其送入轨道。不过,如果卫星非常先进,自带星载远地点发动机,就不须用上面级也可进入轨道。相较之下,“太空摆渡车”优势何在?

“通讯卫星、遥感卫星等作为同步卫星,它们在飞行过程中可能会面临轨道下降的问题。这时候如果能启动发动机微调,能延长卫星工作寿命。”宋忠平告诉记者,因此,许多国家希望他们能够发射具备星载发动机技术的卫星,“如果不计成本的话”。

譬如此次我国为搜救马航失联班机MH370,先后调度20余颗卫星。其中一些遥感卫星就需要通过星载发动机来改变卫星的轨道,通过变轨让它对目标区域进行扫描检测。

然而,王亚男告诉记者,卫星自载动力一般为高压气体,而非搭载液体推进剂,因其主要用于调整姿态等小幅度位置变动,不需要大推力动力系统;而作为“摆渡车”的上面级,它秉承“使用尽量少的推进剂产生尽量大的推力”,有能力把卫星送到不同轨道的不同位置(甚至是地火轨道转移),既可以发射单星,又可以发射多星,在性能和设计上追求最优解。

“不能简单说孰优孰劣,发展了上面级技术,会让未来卫星发射的选择更多元,根据需要来选择卫星的发射方式。”宋忠平补充说,与星载发动机技术相比,利用“太空摆渡车”发射卫星不仅成本相对较低,还更简单,而“简单意味着更安全”。

太空垃圾回收车

“太空摆渡车”另外一个重要的使命,就是可提供轨道转移、空间碎片清理等轨道服务。然而,“打扫太空垃圾”绝非易事。

“怎么收集太空垃圾?如何处理?太空垃圾首先不能对回收者造成实质性威胁。”宋忠平认为,未来“太空摆渡车”或能够同时具有机械臂功能。

如果把利用“太空摆渡车”发射和释放卫星到预定轨道的动作比作“卸车”,那么从特定轨道回收太空垃圾的动作就是“装车”。“摆渡车”上如果有“机械臂”的话,那么这两个动作都将变得相对轻松和灵活。而且,太空垃圾多为报废卫星,如果抓回来之后还能软着路,对报废卫星进行回收,还具有一定的研究价值。

“美国已经在这条路上走在了前列。”宋忠平认为,利用太空飞船或“太空摆渡车”来释放、收回卫星更为灵活,应用更为广泛,验证和发展机械臂技术是未来需要考虑的方向。

“包括在空间站建设中,这些技术都是必不可少的。”宋忠平告诉记者,飞船与国际空间站的两种对接方式,其中一种就类似机械臂的抓取,“太空机械臂在未来太空探索中必将发挥重要作用,我们需要逐步掌握”。

欧美各国的“太空摆渡车”

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,到目前共研制出10多种上面级,用于发射大、中、小型有效载荷。典型的有“阿金纳”和“半人马座”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。

随着近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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