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窄窄的发射窗口大大的保障创新——长三乙火箭团队应对窄窗口发射挑战攻坚克难记

     来源:中国航天报  发布时间:2018-12-09

12月8日凌晨,伴随着一声巨大的轰鸣,西昌卫星发射中心的黑夜被一束亮光撕出了一个口子。随即,这道亮光划出一道美丽的抛物线,飞向天际。

是夜,我国用长征三号乙运载火箭成功发射嫦娥四号探测器,这一重要的历史时刻定格在2点23分。

如同婚嫁喜事需要良辰吉日,嫦娥四号发射的日子也十分讲究,发射时间是技术人员经过千挑万选确定的。

两天只有四窗口 时间仅为6分钟

每一次火箭发射都有一个比较适合发射的时间范围。这个范围是根据航天器本身的要求及外部多种限制条件(比如轨道要求等),经综合分析计算后确定的。范围的大小也叫发射窗口的宽度,窗口宽度有宽有窄,宽的以小时计,甚至以天计算,窄的只有几十秒,甚至为零。

与普通的发射相比,探月发射窗口的选择要复杂且困难得多。“在进行嫦娥四号探月发射窗口选择时,需要考虑很多约束条件,要确保航天器与日、地(包括地面点和近地轨道)、月(包括着月点)的相对关系满足月背着陆的需求。”中国航天科技集团有限公司一院长征三号甲系列型号办公室副主任覃艺介绍。

首先,奔月轨道需要调整近月点经度和飞行时间,使得环月轨道能够飞临着月点上空,为嫦娥四号落月创造条件;其次,在奔月飞行的过程中,需要考虑探测器太阳帆板的受晒问题,要求太阳光入射方向与太阳帆板之间的夹角保持在一定范围内,这样才能保证航天器的能量供应;最后,在奔月和登月过程中,要求航天器能够连续测控,保持与地球的联系。

“诸多约束的作用并不是相同和均等,有些约束会决定发射的月窗口,而有些约束则决定发射的日窗口,发射窗口就是在这些约束作用下形成的发射机会的交集。嫦娥四号要在月背着陆,各种约束关系更加复杂,因此发射窗口只有几分钟。”覃艺说。

经过大量的计算,技术人员为嫦娥四号发射确定了4个窗口。虽然窗口有4个,但分布在连续的两天里,1天2个发射窗口,窗口之间相隔46分钟,每天窗口的有效宽度分别是2分钟和1分钟。

这就意味着留给嫦娥四号的发射窗口时间总共只有6分钟。

“窄窗口发射+多窗口切换” 让火箭准时升空

嫦娥四号发射窄窗口,对运载火箭的适应能力提出了前所未有的挑战。为了确保火箭可以在发射窗口要求时间内准时发射,研制团队对轨道设计和产品可靠性都进行了改进。

“一方面采用适应多窗口、窄窗口约束的轨道设计技术,另一方面对火箭主要分系统和重要单机采取可靠性设计和冗余改进,确保满足窄窗口发射约束。”长三乙火箭总指挥金志强说。

同时,作为使用液体燃料的运载火箭,一旦因故错过发射窗口,只能泄出推进剂,再次组织发射。这样一来,发射任务将大大推迟,进而对整个工程带来无法挽回的损失。

为确保嫦娥四号的如期发射,适应两天四窗口的发射需求,火箭控制系统采用了“窄窗口发射+多窗口切换”技术。“简单说,就是通过对飞行软件诸元的‘在线装订’,实现一天内不同飞行时序的切换,以适应多窗口发射的任务需求。”覃艺说。

目前,控制系统飞行软件诸元已实现了在线装订,可在射前将修改的软件通过串口直接上传至箭上计算机。飞行软件采用多窗口状态切换技术,通过地面测发控系统的配合,实现一天中对两套飞行时序的切换。

此外,长三乙火箭总体研制团队勇于挑战,迎难而上,提出了低温推进剂加注后停放24小时进入第二天发射窗口的技术方案,极大提高了火箭的适应能力。

“这不仅为任务的顺利实施提供了强有力的保障,也使我国低温运载火箭的发射保障能力取得了突破,为我国后续新型低温运载火箭的研制提供了技术基础。”金志强说。(魏经华)