火星探测与运载火箭系统

 

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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,但是未见有正式公开的文件,我想不久也会以某种形式列入国家的重大工程项目。

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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