全球载人深潜排名(2020年版)

 

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2020年我国科技事业好消息不断。除了正在进行中的我国首次自主火星探测任务,我国的“奋斗者号”载人深潜器近日连续多次在地球上最深的马里亚纳海沟成功坐底,坐底深度10909米,是全球有史以来第四个载人深潜器下潜到万米以下的深度。过两天,嫦娥五号就要从文昌发射场升空,执行我国首次从月球采样返回任务,这真是实现了毛主席在《水调歌头·重上井冈山》一词中的畅想:可上九天揽月,可下五洋捉鳖

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

“奋斗者号”载人深潜器是“十三五”国家重点研发计划“深海关键技术与装备”专项的一部分,由中国船舶集团的七〇二研究所制造,是继“蛟龙号”、“深海勇士号”之后的新一代载人深潜器。7000米级的“蛟龙号”已经交付自然资源部直属的位于青岛的国家深海基地管理中心使用,而4500米级的“深海勇士号”则交付位于三亚的中科院深海研究所使用。

今后,我国的深海探索研究有望得到最高级别的国家科技重大专项的资助,将建立有人常驻千米以下海底的深海空间站。

以下对全球各国的载人深潜器技术进行排名。

(一)中国

随着“奋斗者号”成功通过验收,中国的载人深潜正式跃居世界第一。

“奋斗者号”可载三人,是全球万米级载人深潜器中载人能力最大的,也是深海作业能力最强的。

据《科技日报》的报道:

第二阶段海试验收于2020年10月10日开始在西太平洋马里亚纳海沟海域实施。截至11月16日,“奋斗者”号共开展了12次下潜,其中7次下潜超过10000米,于10月27日首次突破万米,于11月10日创造了10909米的中国载人深潜新纪录。11月13日,借助项目支持的由中科院深海科学与工程研究所和中央广播电视总台牵头研制的“沧海号”着陆器及视频直播系统,完成了世界上首次载人潜水器与着陆器在万米海底的联合水下拍摄作业,并通过央视总台向全社会进行了视频直播。

此后,在奋斗者号11月19日的一次下潜中,我国女科学家贺丽生也执行了万米深潜。据公开资料,她是全球第二位深海下潜超过一万米的女性。

再加上我国还拥有“蛟龙号”、“深海勇士号”两型适应不同深度的载人深潜器,综合实力毫无疑问位居世界第一。

 

(二)美国

美国是目前除了中国之外,唯一有能力载人深潜至万米海底的国家。

历史上,马里亚纳海沟一共只有四艘载人深潜器成功坐底(无人深潜器亦有若干次,包括我国的和“奋斗者号”一同深潜的“沧海号”等)。

  1. 1960年,瑞士设计、意大利建造、美国海军所有的 Trieste 号。坐底测得深度10916米。
  2. 2012年,加拿大导演James Cameron 乘坐向澳大利亚公司定制的 Deepsea Challenger 号坐底10908米。
  3. 2019年,美国富豪探险家 Victor Vescovo 乘坐自己投资建造的 Limiting Factor 号两次坐底马里亚纳海沟,录得深度10927米。这是他环球坐底五大洋的最深处探险计划的一部分。
  4. 2020年,我国奋斗者号海试多次坐底,录得深度10909米。

除了我国的奋斗者号,之前的三次万米级深潜都是探险猎奇成分较大,科研作业成分较少。且 Limiting Factor 最多搭载两人,其作业能力不如奋斗者号。考虑到这些因素,美国只能屈居第二。

而美国的常规作业型载人深潜器只有美国海军的 Alvin 号,始建于1964年,最大深潜深度为4500米,现在计划改造升级到具备下潜6500米能力。

(三)日本Shinkai6500

日本现有的载人深潜器为“深海6500”号,顾名思义,深潜能力为6500米,下潜深度一度位列全球作业型的载人深潜器首位。不过早就被我国7000米级别的“蛟龙号”超越,就更不用说“奋斗者号”了。

 

 

 

 

 

 

 

深海6500由日本海洋研究开发机构和三菱重工共同设计建造。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(四)法国

法国现役载人深潜器 Nautile 号(鹦鹉螺号),下潜深度约6000米。

(五)俄罗斯

俄罗斯有继承了前苏联的和平一号和和平二号(Mir),能下潜6000米,已退役。新建的有 Konsul 号,可载两人下潜至6000米。

除了以上五国,没有其它国家的载人深潜器下潜至4000米以下的深度。

 

 

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天问一号第三次中途修正

 

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10月28日,天问一号完成了第三次中途修正。之前的两次中途修正分别在轨验证3000N的主发动机和一组120N的发动机。这次继续在轨验证了一组8个25N发动机。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

另外有一点不同的是,之前的中途修正都是北京飞行控制中心的科技人员完成,而这一次则是由西安卫星测控中心负责。

天问一号的奔火征程大概过了一半,要到明年2月左右抵达火星。

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跑步总结(十四)

 

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继续半年一次的跑步总结。但是受到新冠疫情的影响,一些线下的跑步比赛也是最近一两个月才慢慢重新举办。以往在上半年举行的广州10公里比赛今年也暂停了,不过12月举行的广马继续举办,今年取消了半马项目,首次改成纯全马比赛,总参数人数为2万人。因此我也没有报名广马。

同时,可能由于疫情导致从今年2月起,几乎每天都在家里完全不出门,到了5月底,出现后腰部剧疼现象,每次疼几个小时甚至一整天,疑似肾结石。6月初两次去医院检查,B超也未见明显结石,医生判断有小的结石,故也只是建议大量喝水。到了7月中旬后,后腰右侧疼痛现象就再也不再出现,基本自愈了。

因此,还是必须保持运动,跑步还得继续。

以下是这半年的跑步逐月记录:

  • 2020年5月:0公里
  • 2020年6月:0公里
  • 2020年7月:大学城路跑1.5公里
  • 2020年8月:0公里
  • 2020年9月:0公里
  • 2020年10月:0公里

所以,这半年几乎跑量为零。从手机记录的每月的日平均走路步数也可以看出疫情的影响。3、4、5三个月的日平均步数都在1000步以下。6月份幼儿园开学后,6、7、8三个月的日平均步数分别是3000,4000和5000多。到了9月份全国高校都开学后,9、10两个月的日平均步数都增长到8000多了。但是久不跑步,体重又稳定在了68公斤左右的,一度甚至超过了70公斤。

 

 

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天问一号完成深空机动

 

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作者:杨超

(图片资料全部来自网络)

飞向火星的路途是漫长的,我们来继续关注天问一号火星探测器的最新动态。除了之前了两次中途修正外,偶尔也有其它场合官方会透露一些天问一号的飞行状态。


 

7月23日,天问一号从海南文昌发射场升空,由长征五号火箭直接送入地火转移轨道。

7月28日,天问一号距离地球150万公里,离开地球引力范围。

8月2日,第一次中途修正,3000N主发动机工作20秒。

8月28日,飞行里程达到1亿公里。

9月18日,在中国航天大会上(大会原定在4月24日开的,因疫情推迟),火星探测工程总设计师张荣桥透露了当前天问一号飞行里程达到1.55亿公里。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9月20日,第二次中途修正,4个120牛发动机工作20秒。

10月1日,国庆节当天,行星探测工程放出了一张天问一号的深空自拍照。这是通过从探测器上分离出一个小型照相机实现的。照相机及时通过 WiFi 把图片传回天问一号,再由天问一号把照片传回地球。

10月9日晚,3000N 主发动机工作480秒,完成深空机动。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

从下面的北京航天飞行控制中心的实时模拟画面看,相对于总里程5亿公里的路途,这次主发动机工作6分钟的深空机动也只是一个不太大的变化。可见要精确瞄准火星也是一件充满挑战的任务。

另外,我觉得北京航天飞行控制中心的这套太阳系模拟软件模块的3D渲染简洁明了,效果非常好。

 

 

 

最后来一张天问一号背影的艺术图。

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天问一号第二次中途修正

 

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作者:杨超

自从天问一号成功发射以来,时不时都在留意航天新闻,并学习相关的背景知识,总是有新的收获。

最近,9月20日,天问一号进行了第二次中途修正,4个120N的发动机同时工作20秒,主要是验证了发动机的在轨工作性能。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

上一次,即第一次中途修正,是3000N的发动机工作20秒。那么,天问一号究竟有多少个发动机呢?

一共是48个。引用中国航天科技集团六院的一则报道如下:

在“天问一号”火星探测器上,航天六院研制交付了着陆巡视器和环绕器的两套推进分系统,共计48台大大小小的发动机。它们将分别为着陆器着陆过程悬停、避障及缓速下降过程提供可靠动力,为环绕器系统提供轨道维持、轨道转移、制动捕获、轨道调整以及姿态控制所需的精准动力。  其中,环绕器上共有21台发动机,分别是8台120N发动机、12台25N发动机和1台3000N发动机。着陆巡视器推进分系统共有27台中室压发动机,分别为20台250N发动机、6台25N发动机和1台7500N发动机。

暂未查到推进系统所使用的推进剂的相关报道和介绍。不过根据之前嫦娥探月工作的情况,应该也是使用技术比较成熟的,且经历了月球软着陆考验的四氧化二氮和甲基肼这一对常温液体推进剂。

嫦娥二号环绕器的主发动机为490牛,天问一号更重一些,因此其环绕器使用了3000牛的发动机,之前第一次中途修正中已经验证过其在轨工作状态了。和嫦娥系列一样,环绕器的8台120N发动机和12台25牛发动机也应该是分为两个分支互为备份。所以,这次第二次中途修正是验证了其中一个分支的4台120牛的发动机。

而天问一号的着陆器的7500牛变推力发动机,和嫦娥三号和四号两个月球着陆器参数一致,应该是同型号或改进型。

除了天问一号、嫦娥系列,我国的其他卫星平台、天宫、神舟飞船、还有远征系列上面级等,都使用这类从490牛到7500牛不等的推进系统。因为其推力比较小,最大的还不到1吨(1万牛才约折合地球海平面1吨的推力),所以其发动机一般采取比较简单且可靠性更高的循环方式:挤压循环(pressure-fed cycle)系统。见下图远征一号。

而长征二、三、四号的芯一级和二级发动机YF-20系列,还有长征四号的三级发动机YF-40,虽然也是采用有毒的肼类推进剂,但因为推力更大,则是用略微复杂的燃气发生器循环(gas-generator cycle)系统。俄罗斯的同类毒发 RD-276(或称RD-275M) 则采用了分级燃烧循环,用于质子号火箭上。俄罗斯也有让质子号逐步退役的计划,但其替代品安加拉号研发进展不太顺利。

我国的氢氧发动机,老一代长征三号的三级上使用的YF-75,和新一代的长征五号一级YF-77,也是采用较为简单的燃气发生器循环设计。长征五号的二级 YF-75D则采用了膨胀循环(expander cycle)设计。国际上氢氧机的最高水平以美国的RS-25为代表,采用复杂度和技术含量最高的高压补燃循环设计,英文中也称之为分级燃烧循环(staged-combustion cycle)。美国另外两款主要的氢氧机 RS-68 和上面级用的 RL-10 则分别采用燃气发生器循环膨胀循环

液氧煤油机方面,我国长征五号助推器和长征七号芯一级的 YF-100 发动机,采用了水平较高的高压补燃循环。美国SpaceX的猎鹰火箭一级和二级Merlin发动机则采用了较为简单的燃气发生器循环设计。另一家美国/新西兰公司的小型电子火箭则采用了可能更加简单的电子泵循环(electric pump cycle)。液氧煤油机的最高水平则以前苏联传给俄罗斯的 RD-170/171(貌似已退役的乌克兰天顶号,退役的前苏联能源号助推)、RD-180(美国Atlas V火箭)、RD-181(美国诺格公司的Antares火箭)、RD-191(俄罗斯新一代Angara火箭)、RD-120(用于天顶二级,我国进口过两台)等为代表,都是采用高压补燃循环。而中型火箭联盟号一级的 RD-107/108 发动机则是燃气发生器循环

液氧甲烷发动机,我国也有研发。但使用液氧甲烷的火箭还未首飞,所以就先不列出此类发动机了。

以上这些火箭发动机的不同的循环设计,主要以推进剂如何进入发动机的主燃烧室的不同的动力方式来分类的。挤压循环,顾名思义就是挤进去。而上面提到的其他四类循环,则都是使用了简单的电子泵或复杂的涡轮泵结构。

言归正传,据央视新闻的报道,目前天问一号、地球和火星的相对位置如下图所示。

 

此外,从这次报道看,除了三大深空站,纳米比亚测控站也参与到天问一号的飞行控制任务中了。不知道该站以后是否也会升级为深空站呢。

 

 

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全球卫星导航系统排名(2020年版)

 

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作者:杨超

 

以我国成功发射天问一号火星探测器为一个标志性事件,中国的航天综合实力已经稳居全球第二。之前的博文已经分别从火箭的运输能力、深空探测网两个方面的比较,论证了这一点。本文比较各国的全球卫星导航系统(GNSS)建设,再次印证了这个判断。

需要说明和强调一点,航天实力的排名是以当前的水平来比较,不能拿历史来比较。我们必须用发展的眼光来看问题。前苏联一度到达相对高的航天水平,但是其继承者俄罗斯则只能吃老本,水平是每况愈下,维护其航天设施都捉襟见肘,谈不上什么发展,更加无法回到过去的辉煌,整体上已经落到中国后面去了。

卫星导航系统关乎着国家的国防安全问题,是最重要的航天应用之一。导航卫星一般采用距离地面2万公里左右的中轨道卫星(MEO),有时辅以更高的地球同步轨道卫星(GEO)。

民用导航应用的设计原理非常简单,就是单向接收到至少3颗导航卫星发出的卫星自身的时间与位置信号,就可以从数学上计算出接收器的位置。所以,一个导航卫星系统的设计,就是保证地球上任何一个地方都能“看到”至少3颗卫星即可。这也是卫星部署到离地面2万公里的轨道的原因,越高覆盖的面积就越广,需要的导航卫星总数就越少。此外,卫星的信号也会受到天气或高楼高山阻挡等影响,设计导航卫星星座时要有一定的冗余。比如我国的北斗系统,理论上在亚太地区总能收到10颗以上卫星的信号,保证了导航系统的稳健性,和增强了导航的精度。

一、美国GPS

美国的GPS系统由美国空军(United States Air Force)建立并维护,现由新成立的天军(Space Force)维护。卫星刚好部署在周期为12小时的轨道上,一天绕地球两圈。整个系统一共由24颗卫星构成,分别位于6个轨道平面,每个轨道平面均部署4颗卫星。

 

 

 

二、中国北斗卫星导航系统

我国的北斗三号导航卫星系统于今年(2020年)7月31日正式宣布建成开通。主要由24颗中轨道卫星构成,分为3个轨道平面,位于比美国GPS略高的轨道上。另有至少5颗地球同步卫星和3颗斜地球同步轨道卫星(IGSO)部署在亚洲上空,起到增强的作用。

三、俄罗斯GLONASS

GLONASS 系统从前苏联时代开始建设,直到苏联解体后的1995年才由俄罗斯继续完成组网。设计轨道比美国 GPS 略低,距地面19000多公里,主体由三个轨道平面共24颗卫星构成。可见导航卫星星座大同小异,就不再重复上示意图了。

由于俄罗斯经济困难,90年代末缺乏足够经费对退役或故障卫星进行更换,到2001年在轨服役的导航卫星一度仅剩可怜的6颗。过了10多年,直到2015年才又逐步重新完成组网。

这样一个维护存在隐患的系统当然只能排在中国的北斗系统后面。

四、欧洲伽利略系统

四大全球导航系统中,以伽利略的轨道最高,约23000多公里。设计方案也是三个轨道平面共30颗卫星。每个轨道平面有8颗卫星加两颗备用。目前只部署了22颗左右,能初步进行导航应用,但也故障频发,甚至出现过连续一周全网卫星瘫痪的情况。其维护水平和俄罗斯算得上难兄难弟。

我国在2003年曾投资加入伽利略系统的建设。但欧洲人背信弃义,我们被迫2006年退出。经此波折,我国还是下定决心建立自己的北斗全球导航系统。到了今年,我们的北斗系统已经正式部署完毕了,欧洲人的伽利略系统还没有完成组网。

五、日本准天顶系统(QZSS)

日本的准天顶系统(Quasi-Zenith Satellite System)完全兼容美国GPS系统,可视为GPS系统在日本天顶的一个增强子系统。

 

目前,准天顶系统已经部署了4颗卫星,其中3颗不对称的斜地球同步轨道卫星(目的是保证总有1颗几乎在日本东京地区正上方)和1颗地球同步卫星。计划从2023年起再打3颗准天顶卫星,构成共7颗的系统。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

六、印度IRNSS

印度的区域导航卫星系统(Indian Regional Navigation Satellite System)目前共有8颗卫星,都是地球同步卫星或者(地面轨迹为对称8字)的斜地球同步卫星。据ISRO官网介绍,能提供精度优于20米的地区性的导航定位服务。虽然还谈不上是一个全球系统,但能独立于美国 GPS 系统提供服务。

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全球深空测控网一览(2020年版)

 

本文地址:http://sokoban.ws/blog/?p=4878

作者:杨超

 

之前的博文曾提到过,像火星探测这样的深空探测计划,可大致划分为五大子工程,其中有两项子工程是密切相关的,就是测控系统地面应用系统(Ground Research & Application System,这是立项书中的子项目名称,简称 GRAS)。测控系统主要是追踪、遥测和控制探测器的飞行、入轨和降落等等。而地面应用系统主要完成接收探测器从遥远的太空发回的科学数据的信号,并解码后进行相关研究。这两大子工程的一大共同的关键就是大型天线。

在开展深空探测之前,我们对火箭发射过程和卫星的测控,只需要直径10来米的地面天线就绰绰有余了。这是因为,最远的地球同步卫星,距离地面约36000公里。但这10多米直径的天线,在嫦娥探月工程中就不太够用了,因为月亮距离地球为40万公里。于是,国家随着探月工程的开展,循序渐进的建设直径更大的天线。也就是说,深空探索的一个必不可少的基础设施就是大直径天线。随着今年7月我国的火星探测器成功发射,我国的大直径天线构成的深空网基本建成。火星距离地球最远可以达到4亿公里,比月亮又远了1000倍。如此远的距离,信号非常弱,因此需要非常大的天线才可以接收到探测器发回来的信号和数据,同时也需要发射非常大功率的信号给探测器。

目前各国在航天探测任务中使用的直径最大的天线在70米左右。一般30米以上的天线才能纳入深空观测网。

所以说,深空通信是一个大难题,目前我国已经成功解决这一重大工程难题。之前的一篇博文中,我们对全球火箭运力的对比中,得知以长征五号为代表的我国火箭运载能力是全世界第二,仅次于美国。而在2020年,随着我国火星探测器天问一号的启航,我们的深空网的测控和地面应用(即接收遥远的火星探测器传回的科学数据)水平,也达到全球第二。

下面,通过列举世界所有建立深空探测网的国家的硬件设施来说明这一点。

还有一点要先说明一下,因为一个天线覆盖略小于180度的天空,要构成深空网,对全天达到360度24小时全方位的覆盖,至少要在全球三个不同的地方部署三个天线。最理想的情况是按经度每120度一个。

因此,深空网与近地测控网因其要完成的任务需求不同,往往分开两个不同的独立网络。深空网一般要求30米以上的大直径天线,全球建立至少3个站点。而近地测控网则一般10来米的天线足矣,但是站点需要更多(因为近地,测控范围更小)。比如美国NASA,其深空网由位于加州的JPL负责管理。而其近地网(Near Earth Network,通常仅指地网)又分为地网(Ground Network,由全球约15个地面站组成,其中有一些甚至还是商业运营的地面站)和天网(Space Network,主要由地球同步的中继卫星组成)。天网和地网都由 Goddard Space Flight Center 管理。

全球深空网2020年(Deep Space Network 2020)排名如下:(基于网上可以搜索得到的公开资料,可能存在不甚准确之处)

一、美国NASA

以美国的军事和经济势力,NASA很早就已经建立了全球深空网。据NASA官网的介绍,早在1963年就正式建成,至今已经50多年了。三个主力站点分别位于美国本土加州 Goldstone,澳大利亚的Canberra,和西班牙的马德里(Madrid)附近。而且是比较接近完美的均匀120度分布。三个站都各有70米天线一个,另各有30-40米级别天线数个。三大站点合计30多个天线。见下面示意图,三大站点构成的深空网在近地(3万公里以内)轨道是有盲点的。但这往往是深空探测器的发射阶段,可由近地测控网负责。


NASA设在澳大利亚的 Canberra 站全景图:

 

美国在其巅峰时期建站太多,在和前苏联的太空竞赛告一段落之后,因为维护这么庞大的设备网络过于昂贵,不得不让一部分天线退役。

如:美国1961曾在南非建了一个26米天线,纳入其深空网络,编号 DSS-51(Deep Space Station 51),见下图。1975年,NASA把天线交还给南非管理,南非把它改造成一台射电天文望远镜,即现在的 Hartebeesthoek Radio Astronomy Observatory,简称 HertRAO。

 

又如:早在NASA成立之前,美军1957年就在南美智利首都圣地亚哥北郊建立了一个测控站,1958年美军把站点交给刚成立的NASA。后来NASA把该站交还给智利。2000年后,智利又把站点租给经营商业卫星测控的瑞典太空公司SSC(Swedish Space Corporation)。后来,我国也向智利政府租了一小块地,在瑞典SSC公司的测控站旁边也建了一个测控站(见下面卫星地图红圈处)。这个站点的天线直径不算大,主要用于火箭发射阶段和载人飞船等的测控任务,也可以作为深空测控的一个补充。

二、中国

刚踏进21世纪时,我国用于卫星测控的天线甚至都没有超过18米的。到了2020年,我国的深空网于已经初步建成,足以胜任独立完成天问一号火星探测的任务。可以预期我国的深空天线的建设还会进一步完善,以应对未来比火星更远的深空探测任务。

我国的三大深空站有两座位于我国的国土上。一座是东部的佳木斯站,另一座是西部的喀什站。此外,还有境外的阿根廷深空站。限于国力,我国的三大深空站的角度分布不如美国NASA平均,但也基本实现了对全天无死角覆盖。三大深空站由西安卫星测控中心管理,可能测控数据也同时连接北京航天飞行控制中心。

下面直接上图,看看深空站是多么的震撼。

(1)阿根廷站,35米天线,2017年建成

 

(点击图片看高清大图,图源见水印)

(2)佳木斯站,66米天线

 

(3)喀什站,35米×4 天线阵列

 

以上三大深空站主要用于测控,属于测控系统。

另外还有地面应用系统,而地面应用系统则主要由中国科学院系统负责。中科院有五大直属天文台(相当于研究所),分别是:国家天文台(含新疆天文台、云南天文台)、上海天文台和紫金山天文台。地面应用系统任务由中国科学院国家天文台承担,新建了四台大直径射电望远镜(其实基本上和天线是一回事),项目工程编号分别是GRAS-1、GRAS-2、GRAS-3和GRAS-4。

四个地面应用系统射电望远镜如下:

(1)北京密云,50米,GRAS-1

(2)昆明40米,GRAS-2,2006年建成

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3)北京密云,40米,GRAS-3(图见前面密云50米)

(4)天津武清,70米,GRAS-4,2020年底建成,刚好赶在天文1号抵达火星开展科学探测前启用。

此外,中国科学院和上海市联合出资建设的,2017年建成通过验收的上海65米天马射电望远镜亦可作为地面数据接收站的补充。

三、欧洲航天局ESA

为了不受制于NASA,欧洲航天局在2000年后也逐渐健全了其深空网络,属于ESA的ESTRACK测控网的一部分。三个主力站点分别为:西班牙站、澳大利亚站和阿根廷站(下图中三个有黄色标签标记的蓝色站点)。其中第三个深空站阿根廷 Malargue 站于2012-2013年期间建成,比我国略早几年完成了深空网的升级改造。三大深空站的角度分布比我国略优,更加平均一些。但各站均安置了35米天线,总体直径数据要逊于我国。

 

ESA对原有系统升级改造后(主要是新建35米天线)具有独立深空测控能力。

四、俄罗斯

64米的天线两个,都在莫斯科附近,一个在熊湖,已经坏了(见下卫星图,已经锈迹斑斑,还有几个大洞);另一个在 Kalyazin,在使用中,还参与到欧洲合作的火星探测器 ExoMars 2016 的测控任务中。

70米的天线也有两个。东边的乌苏里斯克(Ussuriysk)有一个70米。西边的乌克兰克里米亚的叶夫帕托里亚(Yevpatoria)也有一个70米,自2014年俄罗斯吞并克里米亚后,也属于俄罗斯了。

另外在前苏联解体前,在乌兹别克斯坦还在兴建一个70米的天线,因苏联解体未能完工。后来有报道乌兹别克和俄罗斯要联合继续修建,但也建建停停,进度非常缓慢,但至今还是一个烂尾工程,见下图。

 

 

 

 

 

由此可见,俄罗斯虽然有几个大直径的天线,都是继承前苏联的。但一是无法构成全天360度覆盖,二是不成系统,有的甚至年久失修坏掉了。此外,俄罗斯深空网的资料是本文撰写过程中收集难度最大的,从一个侧面也可以看出这些深空天线并非处于一个活跃的使用状态。基于这些原因,俄罗斯的深空网排在ESA之后,位居第四。

五、日本JAXA

日本在长野中部的臼田宇宙空间观测所拥有64米天线,于1984年建成,也快40年了。由此可见,我国深空探索事业起步迟,追赶到如今的水平有多不容易。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

另外在南部鹿儿岛的内之浦宇宙空间观测所有34米加20米两个较大直径天线。

总的来说,日本不具备独立深空测控能力,其深空任务需要美国 NASA 等机构协助。

六、印度ISRO

印度亦已经执行了火星、月球等深空探测任务,但其本国只拥有一个32米天线加一个18米天线用于深空,位于南部班加罗尔。和日本一样,其深空任务也依赖于 NASA 的深空网交换数据和控制。

总的来说,只有中、美、欧建成了完整的深空网,俄、日、印三国具备部分深空测控能力。除了以上六国(或超国家组织)以外,其他国家基本没有进行过独立的深空探测。值得一提的是,阿联酋今年略早于我国用日本的H-2A火箭成功发射了火星探测器EMM,但他们也似乎没有建自己的大型深空天线,完全借用 NASA 的深空网络来测控探测器。由下图可见,因为管理的深空任务很多,NASA的深空网业务还相当繁忙。

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全球现役火箭系统全图(2020年版)

 

本文地址:http://sokoban.ws/blog/?p=4840

作者:杨超

因为天问一号的发射,最近对航天工程比较感兴趣。上一篇博文谈及了运载火箭系统,本文进一步把全球现役的运载能力在2吨以上(LEO)的火箭系统全部列出来。对没能列出那些运载能力只有几百公斤的火箭表示遗憾。

总的来说,火箭系统还是一个比较复杂的工程,拥有现役发射能力2吨以上的国家或者超国家组织(指欧盟)只有以下六个:

  • 中国
  • 日本
  • 印度
  • 俄罗斯
  • 欧盟
  • 美国

对我们业余关注者来说,对火箭主要了解两点,就能差不多知道各国火箭水平的高低。一是运载能力是多少吨。二是使用什么推进剂(固体、液氧煤油、液氢液氧、四氧化二氮+偏二甲肼等等)和什么发动机,火箭采取什么构型。

几点说明:

1. 此图是用网站 Historic Spacecaft 网站的火箭美工图拼接而成的,原作者为 Richard Kruse.

2. 只列出现役的。研发中的火箭没有列出来,如我国的长征九号、网传的921火箭等等。欧盟也在研制阿丽亚娜6以替代现役的阿丽亚娜5,美国ULA研制火神火箭以替代目前两款火箭, 日本研制 H3 替代 H2,俄罗斯研制安加拉号替代质子号,等等。所以,这个全球火箭全图是2020年版本。

3. 极少数已退役(或运力未达到2吨门槛)的火箭也列出来了,如1970年4月24日,成功发射我国第一颗人造卫星东方红一号的长征一号火箭。

4. 我国火箭正处于更新换代过程中。长征一至四为老一代运载火箭,最大运力为低轨道(LEO)10吨左右。长征五、六、七为新一代运输火箭。其中长征五号LEO运载能力达25吨,是老一代火箭的两倍以上,在全世界来看,运力仅次于美国的 Delta IV Heavy 和 Falcon Heavy,位居全球第三(两款比长五强的火箭均使用 CBC 构型)。

我国旧一代火箭基本都使用液体常温推进剂四氧化二氮+偏二甲肼。新一代火箭则用液氢液氧或者液氧煤油。

5. 具有20吨以上的LEO运载能力的火箭全部用橙色加粗字体标出。

6. 图最右是身高1.8米的人作为对比。

(点击图片查看大图)

上图火箭从左到右依次为:

一、美国

  • Atlas V
  • Delta IV Heavy
  • Antares
  • Falcon 9
  • Falcon 9 + 龙飞船
  • Falcon Heavy

二、中国

长征二号为二级火箭,长征三号和长征四号均为三级火箭;一级二级直径均为3.35米,助推均为2.25米。

  • 长征一号(已退役
  • 长征二号丙(==长征二号甲)
  • 长征二号丁(八院)
  • 长征二号E(长二捆,已退役
  • 长征二号F + 神舟飞船
  • 长征二号F + 天宫一号/二号
  • 长征三号(三级液氢液氧,2.25米,已退役
  • 长征三号甲(三级增大至3米)
  • 长征三号乙(四个助推)
  • 长征三号丙(两个助推)
  • 长征四号乙/丙(三级也是常温液体,2.9米)
  • 长征五号
  • 长征六号
  • 长征七号

三、欧洲

  • 阿丽亚娜5+货船
  • 阿丽亚娜5(Ariane 5)

四、俄罗斯

  • 联盟号(Soyuz ST,在法属圭亚那发射版本)
  • 联盟号+载人飞船
  • 联盟号+进步号货船
  • 质子号(Proton M)
  • 安加拉号(Angara 5)准现役,只试飞过一次

五、日本

  • H-IIA
  • H-IIB + HTV货船

六、印度

  • PSLV
  • PSLV-CA
  • PSLV-XL (印度就是用这款火箭把火星探测器送到火星的)
  • GSLV Mk 2
  • GSLV Mk 3 (发射印度月船二号)

 

 

 

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火星探测与运载火箭系统

 

本文地址:http://sokoban.ws/blog/?p=4763

作者:杨超

 

火星探测是一项大工程,这是我国载人航天和探月工程的延申(当然载人航天和探月工程本身也在不断升级深化中)。载人航天和探月工程是被列入国务院颁布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006~2020)》的国家十六个重大科技专项之一。而据报道,火星探测是2016年正式立项的,被列入了国务院的《“十三五”国家科技创新规划》新增的“科技创新2030—重大项目”的6个重大科技项目之一:深空探测及空间飞行器在轨服务与维护系统。

从探月与深空探测工程的官网上,可见探月工程本身又可分为五大工程模块,需要不同的单位牵头协同完成。这里每一个子工程都是大工程。比如说其中的发射场系统,就主要包括新建了海南文昌卫星发射中心。与我国之前的三大卫星发射中心相比,这里纬度更为接近赤道,对发射深空探测器来说是一个有利因素。

为了完成火星探测任务,还要继续完善这五大工程,这是一个不断发展的过程。本文主要谈谈运载火箭系统,就是要研发推力更大的火箭。除了火星探测,我们的载人航天工程建设新一代更大的空间站,和探月工程的采样返回,都离不开更大推力的火箭。长征五号火箭经历过一些波折后,已经成功把重达5吨的火星探测器“天问一号”送入地火转移轨道。还有一些新型号火箭,如载人火箭长征2F的升级换代型号长征七号、近地轨道运送能力超过50吨的超重型火箭长征九号等,也处于不同的开发进度中。

长征五号的成功研发,使得我国的发射能力已经达到国际先进水平。上一篇博文提到,当前,现役火箭中最强的6大火箭型号如下:

  • 美国 SpaceX 的 Falcon 9 和 Falon Heavy,
  • 美国 ULA 的 Delta IV Heavy,
  • 我国的长征五号(包括长征五号B),
  • 欧洲的 Ariane 5,
  • 俄罗斯的 Proton,
  • 俄罗斯的 Angara.

其中,又以美国的 Falcon 系列运力最强,其他5款火箭半斤八两,低轨道运力都在25吨上下。而且 Falcon 火箭系列是目前全球唯一的可重复使用的火箭系统,降低了发射的成本。Falcon 9 火箭目前已经是非常成熟,恰好昨晚(8月18日)有一次发射任务,我第一次看了一下其网络直播。

Falcon 9 火箭的 9 表示火箭一级有九台引擎,而非该型号火箭的第9个版本。火箭的一级可以自己降落到地面。

SpaceX 官网上关于 Falcon 9 (Full Thrust Block 5)的一些性能参数,可见性能略逊于长征五号,但是 Falcon Heavy 则强于长征五号。

昨晚的 Falcon 9 执行一个低轨道的发射任务,主要是发射自家的 starlink 卫星58个,每个260公斤。另外开启“共享火箭”商业模式,还同时为 Planet.com 公司发射3个 SkySat 卫星,每个约120公斤,总净负载约16吨。这一重量基本达到了 Falcon 9 近地轨道发射的极限,若不回收火箭第一级,重量还能增加一些。

而这次使用的火箭一级此前已经五次发射并回收,加上这一次则已经重复使用了六次。火箭的发射和一级降落的示意图如下:

根据官网的发射时间表,火箭一级2点火后2分多钟就关机分离,二级9分钟就关机。

Planet.com 公司是一家地球表面成像公司,拥有一批低轨道太阳同步卫星 SkySat 每天对地球表面进行亚米级别的拍摄。这一次发射的 SkySat 则以倾角53度在400公里高度绕行,作为太阳同步卫星的补充(太阳同步卫星一般90多度的倾角),因为人类活动多集中在南北纬53度之间。为什么太阳同步卫星一般90度左右的倾角呢?这个解释起来比较麻烦,就不在这里解释了。太阳同步卫星(SSO)和地球同步卫星(GEO)虽然都有同步两个字,但是含义不太一样,前者指时间同步,后者指空间同步,所以又叫地球静止卫星。

该公司还常常结合世界上发生的新鲜事,隔几天在其官网发布一两张高清地球照片,以展示其公司卫星舰队的能力。下图就是该公司紧跟国际热点,拍摄最近受损的直径300多米的前世界第一的阿雷西博射电望远镜在2020年8月10日的卫星照片。可见现在民用商业卫星成像都达到了亚米级别(即照片的一个像素对应着地面不到1米的距离)。

SpaceX 为了满足客户 Planet Lab 的需求,从直播的遥测模拟画面可以看出,火箭是从佛罗里达州海岸从东北方向发射。模拟画面中,白色应该是计划的轨迹,蓝色是实际飞行轨迹,两者差别不大。从这个图还可以看出,第二圈的轨迹和第一圈有一个夹角,这是因为地球在自转的缘故。

在大西洋上空相继把客户的三颗卫星释放之后,火箭二级又继续飞行到南印度洋上空才把 SpaceX 自家的卫星释放。

发射后不久,Planet Lab 公司发布消息,卫星已经成功进入 207 × 370公里、倾角为53度的轨道。随后卫星将靠自己动力抬升到 400 公里。

 

SpaceX 公司自己的 starlink 卫星也将靠自身动力进一步抬升到目标轨道。

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天问一号第一次中途修正

 

本文地址:http://sokoban.ws/blog/?p=4710

作者:杨超

上一篇博文讨论了我国天问一号火星探测器从发射到箭器分离的轨迹。

分离后,天问一号就基本只在太阳(和地球等)的引力作用下飞行。有不少业余和半职业的天文爱好者和无线电爱好者都从太空中捕捉到了天问一号,由此还计算出天问一号的轨道根数。不过由于火星探测器比起近地小行星小多了,随着天问一号离地球越来越远,业余人员很难再观测到。

人造航天飞行器被业余天文爱好者观察到是常见的事情。我国的嫦娥二号完成原定任务后,从日地拉格朗日点L2再次变轨,执行在距离地球约700万公里外飞掠小行星的任务时,也曾被不明真相的业余爱好者观测到。

据报道,8月2日7点0分,北京航天飞行控制中心对天问一号执行了第一次轨道中途修正(trajectory correction manoeuvre,简称TCM)。由于长征五号非常精准地把探测器送入了预定轨道,这次修正的主要一个目的考察发动机的在轨工作情况。

天问一号继续着火星之路的漫漫征程。

 

这次,我国使用重型运载火箭(重型一般指具有把20吨以上送到LEO的能力的火箭)长征五号第一次执行正式任务(之前的长五发射均带有试验性质),把重达五吨的探测器直接送入地火转移轨道,为人类有史以来发向火星的所有探测器中最重的一个。而同期发往火星的阿联酋和美国的探测器因为相对较轻,所以均使用了中型运载火箭。阿联酋用的是日本的H-IIA火箭,美国则是宇宙神五号(Atlas V)火箭。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(宇宙神五号)

 

 

 

我国的长征五号运载火箭在世界上现役的火箭中,运载能力排行第三,仅次于美国ULA公司的德尔塔4重型(Delta IV Heavy)和美国SpaceX公司的 Falcon Heavy 火箭。略强于欧洲的阿丽亚娜5(Ariane 5)火箭和SpaceX公司的Falcon 9。此外,俄罗斯也有质子号(Proton)和安加拉号(Angara)两款运送能力差不多的重型火箭。现役的低轨道运送能力超过20吨的火箭就以上几种了。把Falcon 9/Heavy算成一种火箭的两种变形(长征5号也有长征5号B的变形),即全球只有6款在役的重型火箭。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

前些天北京时间8月16日,欧洲在南美法属圭亚那发射阿丽亚娜5号火箭,把三颗卫星共近10吨送入地球同步转移轨道(GTO)。法属圭亚那在北纬5度左右,发射地球同步卫星是极为理想的位置,基本上就是直接向东飞就行了。但地球同步轨道(GEO)的高度为36000公里左右,火箭一般不把卫星送那么远,而是先把卫星送入大椭圆的地球同步转移轨道,再由卫星自己在这个GTO轨道的远地点恰当地变轨进入地球同步轨道。有时也会有利用上面级把卫星直接送入GEO轨道的。

下面是这次阿丽亚娜5发射官方手册中的飞行轨迹示意图。注意此图的星箭分离的位置不正确。从此图上看,似乎火箭绕地一周才完成分离,实际上大概向东飞到非洲或印度洋上空就依次完成了3颗卫星的分离了。

三颗卫星中,最后分离的是属于日本B-SAT公司的用于电视信号放送卫星,据该公司的公告,卫星在火箭点火后47分钟分离(此时火箭显然还没有绕地球半圈),将于8月25日才调整到地球同步轨道。

 

 

 

下图是该火箭飞行在地球表面的投影轨迹。其中显示了5个地面测控站,还有3颗卫星依次分离的位置。

 

 

 

 

 

 

下图是 ESA 在肯尼亚的马林迪(Malindi)测控站的天线。一般火箭发射和卫星的测控中,10来米的天线就绰绰有余了。我国在神舟飞船等任务中,也租用过马林迪的天线。

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