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国内最大离轨帆成功在轨展开

来源:八院 日期:2022-07-08

6月23日,长征二号丁遥六十四运载火箭成功发射。6月26日,由八院805所自主研制、配置于火箭载荷舱上的离轨系统在轨顺利展开离轨帆装置。这是目前国内面积最大的离轨帆产品,也是国际上首次将离轨帆应用于运载火箭的舱段,旨在减缓空间碎片增长。

6月26日上午7:00,长征二号丁载荷舱上的离轨帆在轨成功展开,遥测信号正常。有了这只“大风筝”的引航,重量约300kg的运载火箭载荷舱,将实现2年内再入大气层,释放出宝贵的轨道资源。此次任务中配置的超大面积离轨帆,结构更为复杂、技术更加先进。帆面材料极为纤薄,厚度不足头发丝直径的十分之一,通过精确地折叠设计和高密度压紧,帆面能够收纳成极小的体积,借助先进的弹性展开机构,完全展开状态下帆面面积达25m²。这样轻量化、高展收比让离轨帆可加装至各类成熟的航天器而不占用平台自身包络。

多领域“强者联合”,碰撞“创新火花”

一直以来,八院运载火箭领域致力于空间碎片减缓技术的创新研究,先后对长征四号乙/丙、长征二号丁等型号的末子级开展了主动离轨设计并获得成功验证。2021年2月,八院主导制定的首个国际标准ISO20893《航天系统——运载火箭轨道级空间碎片减缓详细要求》正式发布,成为“十四五”第一项获批发布的由我国主导制定的航天国际标准。

此次任务中离轨帆与“金牌火箭”长二丁的联手,也是一次新技术赋能成熟产品,进一步开拓新市场、催生新效益的突破性尝试。随着长二丁火箭一箭多星串联构型的成熟应用,给卫星“独家定制”的“包间”——载荷舱会在分离入轨后长期停留在轨道上,成为游荡在太空中的空间碎片,这引起了火箭总体设计师的高度重视。为此,长二丁型号总体设计团队充分发挥八院多领域并举的优势,创新性地提出了“末子级应用系统+大面积离轨帆”的运载火箭载荷舱加速离轨和长期状态监视的总体方案。也就是说,将卫星借助离轨帆加速离轨的成功实践,应用到火箭的载荷舱,即“卫星的包间”上,使其不再继续游荡。

在805所型号项目办和融合创新部的大力支持下,一支精兵劲旅迅速集结:由长二丁型号总体负责方案及可行性论证、构型布局设计和大系统协调工作;805所空间结构与机构技术实验室负责离轨帆产品研制;埃依斯公司负责离轨控制平台研制、离轨系统集成、发射场测发和在轨飞控长管。为确保首飞任务万无一失,研制团队先后对离轨帆及控制平台开展了环境应力筛选试验、高低温循环试验、热真空试验、力学环境试验、帆面展开试验、拉距通信试验、光照试验和大系统对接等,全面考核了产品在空间恶劣环境下的适应能力和可靠性。

让卫星完美登场优雅谢幕

离轨帆是一种配置在卫星(或航天器)上的可在太空中实现自主展开的薄膜结构,简单来说,它像是太空中的一个“大风筝”,通过增加卫星的迎风面积,让卫星逐渐减缓在轨道上运行的速度。在随卫星发射入轨时,离轨帆呈收拢状态,待到卫星寿命结束后,帆面解锁指令启动,薄膜帆面展开,轻薄的帆面利用低轨环境稀薄大气形成的气动阻力,让卫星慢慢减速,并逐渐脱离原轨道。以一颗700km高度15kg级卫星为例,若无离轨措施,卫星寿命结束后还将占据轨道时间长达120年甚至更久;如配置展开面积为2m²的离轨帆,可将在轨时间缩短至10年以内。值得一提的是,利用离轨帆实施离轨,无需消耗燃料,即使是在航天器发生故障失控的情况下,仅需少量电流即可实现薄膜帆展开,有效解决失控航天器的离轨需求。

作为当今国际航天领域的前沿技术之一,空间超轻薄膜可展结构技术是空间结构与机构技术实验室深耕十余年,实现由预研成果向工程应用转化的有力实践。早在2019年9月,空间结构与机构技术实验室就联合埃依斯研制了我国首例微纳卫星标配式离轨帆——“金牛座”。当时的离轨帆展开面积仅2.25m²,但取得了显著的离轨效果;后又为“齐鲁四号”“佛山一号”“天枢一号”“金紫荆二号”等多颗商业卫星配套了离轨帆,实现了薄膜系统应用推广。在本次任务中,型号研制团队在“金牛座”离轨帆的基础上,进一步突破了多项关键技术,实现了离轨帆展开面积增大十余倍的技术跨越,填补了国内中大型航天器及运载火箭入轨舱段增阻离轨能力空白。

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