CZ-4C探月任務(wù)多星發(fā)射結(jié)構(gòu)總體方案

李懿德, 陳振知, 梁艷遷, 古艷峰, 汪軼俊

（1. 上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海，201109；2. 上海航天技術(shù)研究院，上海，201109）

0 引 言

在行星際探測(cè)領(lǐng)域，月球在近幾十年里是一個(gè)重要的目標(biāo)，未來仍將被國際宇航界重視[1～3]。以月球中繼衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)為例，國際上已論證了多種方案。1993年，賓夕法尼亞州立大學(xué)的Melton等人提出了ECHO項(xiàng)目，用德爾塔-2運(yùn)載火箭Φ2.9 m整流罩構(gòu)型發(fā)射一顆自旋穩(wěn)定的月球中繼星[4]。美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的格倫研究中心策劃使用宇宙神-5 401火箭Φ4 m整流罩構(gòu)型以一箭雙星方式發(fā)射月球中繼衛(wèi)星COMPASS[5]?？屏_拉多航天飛行動(dòng)力學(xué)研究中心和微小衛(wèi)星系統(tǒng)公司基于TacSat-2衛(wèi)星平臺(tái)提出了一種月球通信與導(dǎo)航衛(wèi)星解決方案用于月球南極探測(cè)，衛(wèi)星重約400 kg，用SpaceX公司獵鷹-9運(yùn)載火箭一箭雙星發(fā)射[6]。近年來，歐洲航天局論證了FARSIDE月球背面著陸探測(cè)項(xiàng)目，其中月球中繼星采用Myriad微納衛(wèi)星平臺(tái)，整星質(zhì)量約為250 kg，計(jì)劃使用俄羅斯聯(lián)盟-ST運(yùn)載火箭/弗雷蓋特上面級(jí)或阿里亞娜-5運(yùn)載火箭搭載發(fā)射[7]。

目前，立方星越來越多地被應(yīng)用于月球與深空探測(cè)任務(wù)。亞利桑那州立大學(xué)正在研制一顆6U立方星LunaH-Map，用于月表水冰的探測(cè)研究[8]。美國國家航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室提出了一種6U探月立方星方案，用于月球極地測(cè)繪研究和新技術(shù)演示驗(yàn)證，這兩顆立方星都將隨美國新一代太空發(fā)射系統(tǒng)（Space Launch System，SLS）運(yùn)載火箭獵戶座飛船任務(wù)搭載發(fā)射[9]。此次任務(wù)預(yù)計(jì)共搭載13顆立方星，全部掛載在上面級(jí)適配器內(nèi)壁上，除了NASA的研究項(xiàng)目外還包括企業(yè)和國際合作伙伴的搭載星[10～12]。2010年，歐洲航天局的第4個(gè)教學(xué)衛(wèi)星項(xiàng)目——?dú)W洲學(xué)生月球軌道器立項(xiàng)，計(jì)劃搭載發(fā)射一顆重250 kg的微納衛(wèi)星至地球同步轉(zhuǎn)移軌道，而后自行變軌奔月[13]。

中國嫦娥四號(hào)工程實(shí)現(xiàn)了人類歷史上首次月球背面著陸探測(cè)，其中CZ-4C運(yùn)載火箭發(fā)射鵲橋中繼星任務(wù)是整個(gè)工程的第1步，對(duì)全局成敗起著決定性作用，目前衛(wèi)星已在Halo軌道上穩(wěn)定運(yùn)行。本次任務(wù)還有效利用了運(yùn)載余量，搭載發(fā)射了2顆月球軌道編隊(duì)超長波天文觀測(cè)微衛(wèi)星——龍江一、龍江二號(hào)。本文介紹了此次發(fā)射任務(wù)的總體設(shè)計(jì)，以及針對(duì)探月衛(wèi)星發(fā)射作出的適應(yīng)性更改，并提出一種可用于探月小衛(wèi)星發(fā)射的典型方案。

1 任務(wù)概況

1.1 衛(wèi)星技術(shù)狀態(tài)

嫦娥四號(hào)中繼星是基于成熟的CAST100小衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)計(jì)的一顆低成本衛(wèi)星，采用箱板式構(gòu)型布局，配有直徑4.2 m的大口徑傘狀拋物面天線[14]。CZ-4C運(yùn)載火箭發(fā)射地月轉(zhuǎn)移軌道衛(wèi)星（逃逸特征能量C3=-2.0 km2/s2）的運(yùn)載能力是550 kg，為了充分利用運(yùn)載余量，搭載2顆繞月微納衛(wèi)星，開展深空探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)演示驗(yàn)證。搭載星采用貯箱-承力結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，貯箱底部同時(shí)作為星箭對(duì)接環(huán)與分離機(jī)構(gòu)連接。分離機(jī)構(gòu)采用低沖擊分離螺母及彈簧以減小分離沖擊[15]。衛(wèi)星總體結(jié)構(gòu)及初始數(shù)據(jù)分別如圖1和表1所示。

表1 衛(wèi)星初始數(shù)據(jù)Tab.1 Essential Parameter of Paloads

1.2 任務(wù)剖面

運(yùn)載火箭起飛后經(jīng)歷級(jí)間分離、整流罩分離、三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)2次啟動(dòng)后到達(dá)星箭分離點(diǎn)，首先分離中繼星，隨即進(jìn)行調(diào)姿，分離龍江一號(hào)小衛(wèi)星；而后二次調(diào)姿，分離龍江二號(hào)小衛(wèi)星，確保了近場(chǎng)安全性。所有衛(wèi)星進(jìn)入近地點(diǎn)200 km，遠(yuǎn)地點(diǎn)400 000 km，傾角28.5°的地月轉(zhuǎn)移軌道，由于衛(wèi)星入軌精度較高，原計(jì)劃3次中途軌道修正僅執(zhí)行了一次。經(jīng)一系列制動(dòng)變軌后，中繼星進(jìn)入地月L2點(diǎn)Halo軌道，搭載星進(jìn)入環(huán)月大橢圓軌道。任務(wù)剖面如圖2所示。

圖2 任務(wù)剖面Fig.2 The Whole Mission Profile

2 發(fā)射方案

2.1 整流罩選型

運(yùn)載火箭對(duì)衛(wèi)星的約束條件除了運(yùn)載能力、入軌精度等總體性能指標(biāo)，整流罩產(chǎn)品的包絡(luò)也是制約運(yùn)載火箭適應(yīng)性的主要因素之一。新研一款運(yùn)載火箭整流罩需通過靜力試驗(yàn)、分離試驗(yàn)等大型力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證后方可進(jìn)行首飛，周期較長。CZ-4C運(yùn)載火箭經(jīng)過十多年發(fā)展，已先后研制了6種不同直徑、長度的整流罩產(chǎn)品，具備較強(qiáng)的任務(wù)適應(yīng)性，可縮短研制周期并降低成本，還能與過渡艙組合形成多星串聯(lián)發(fā)射構(gòu)型，可同時(shí)適應(yīng)不同衛(wèi)星的多種需求，如圖3所示。

圖3 部分不同直徑整流罩及組合構(gòu)型方案Fig.3 Partially Different Diameter Fairings and Combined Configurations

在嫦娥四號(hào)中繼星任務(wù)中，由于中繼星包絡(luò)直徑較窄，因此選用了Φ2900 mm整流罩產(chǎn)品，如圖4所示。該構(gòu)型從CZ-4系列運(yùn)載火箭首飛至今，已經(jīng)過多次飛行驗(yàn)證?？紤]到CZ-4C運(yùn)載火箭發(fā)射月球軌道衛(wèi)星的運(yùn)載能力不大于550 kg，在此約束下，Φ2900 mm整流罩能基本滿足小型衛(wèi)星的包絡(luò)空間需求，可作為探月任務(wù)的典型發(fā)射構(gòu)型。

圖4 CZ-4C發(fā)射“鵲橋”中繼星狀態(tài)（Φ2900mm整流罩）Fig.4 Long March-4C Launch Vehicle Launching Queqiao Relay Satellite State (Φ2900mm Fairing)

2.2 多星發(fā)射構(gòu)型布局

隨著微納衛(wèi)星技術(shù)的不斷發(fā)展，低成本深空探測(cè)器的應(yīng)用成為可能，嫦娥四號(hào)中繼星任務(wù)中搭載的2顆繞月小衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了這一突破。同時(shí)，為微納衛(wèi)星提供搭載服務(wù)，最大限度地利用火箭的富余運(yùn)載能力，對(duì)提高單次發(fā)射的經(jīng)濟(jì)效益、促進(jìn)微納衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展具有積極意義，CZ-4系列運(yùn)載火箭在設(shè)計(jì)之初就考慮了將來搭載星的發(fā)射需求。

2.2.1 通用側(cè)壁搭載

為適應(yīng)微納衛(wèi)星搭載需求的增加，優(yōu)化運(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)流程，推進(jìn)型號(hào)通用化、去任務(wù)化理念，CZ-4C運(yùn)載火箭的最新版技術(shù)基線中在支承艙側(cè)壁上預(yù)留了2個(gè)通用搭載空位，以滿足包絡(luò)較小的微納衛(wèi)星需求。嫦娥四號(hào)中繼星任務(wù)中的兩顆繞月搭載星即采用這種搭載方式，在整流罩內(nèi)的布局如圖5所示。該構(gòu)型在CZ-4C火箭歷次飛行任務(wù)中已經(jīng)過多次驗(yàn)證，技術(shù)成熟可靠，可實(shí)現(xiàn)較高分離精度及近場(chǎng)安全性。

圖5 中繼星及搭載星在運(yùn)載火箭中的布局Fig.5 Layout of Relay Satellite and Piggyback Satellites in Launch Vehicle

2.2.2 載荷艙搭載構(gòu)型

在側(cè)壁搭載構(gòu)型中，搭載星的可用包絡(luò)受主星星箭接口和底部突出物的影響，對(duì)搭載星造成諸多不利約束。為了適應(yīng)微納衛(wèi)星靈活多變的特點(diǎn)，提高運(yùn)載火箭的任務(wù)適應(yīng)性，CZ-4系列運(yùn)載火箭從雙主星串聯(lián)發(fā)射構(gòu)型衍生出了載荷艙搭載方案。在三級(jí)共底貯箱前短殼與主星支承艙間增加2個(gè)過渡艙，并可根據(jù)搭載星的要求設(shè)計(jì)過渡艙的實(shí)際高度，構(gòu)型布局如圖6所示。搭載星和適配器最大可用包絡(luò)如圖6中陰影部分所示，該構(gòu)型的應(yīng)用避免了搭載星與主星包絡(luò)的相互影響，提供微納衛(wèi)星相對(duì)獨(dú)立的搭載空間，該構(gòu)型已在2019年末成功首飛。

本文提出一種基于遺傳優(yōu)化算法的多列車運(yùn)行節(jié)能研究，并根據(jù)列車制動(dòng)能量利用的原理對(duì)多列車運(yùn)行的多目標(biāo)優(yōu)化問題進(jìn)行求解。以我國某地鐵線路3個(gè)區(qū)間組成的短線進(jìn)行多列車節(jié)能仿真，優(yōu)化得到各站停站時(shí)間和發(fā)車間隔。仿真結(jié)果表明,通過調(diào)整停站時(shí)間和發(fā)車間隔，能夠有效地降低全線能耗，從而肯定了多列車節(jié)能計(jì)算中的優(yōu)化模型和遺傳算法的合理性。

圖6 載荷艙典型布局形式Fig.6 Typical Layout of Auxiliary Payload Cabin

2.2.3 立方星艙壁掛載

立方星作為近年來被國際航天界在深空探測(cè)輔助任務(wù)中廣泛采用的一種低成本衛(wèi)星平臺(tái)，得到了眾多高校及企業(yè)的青睞，將來還可能大規(guī)模應(yīng)用于學(xué)生教學(xué)實(shí)踐。為適應(yīng)這一革新變化，CZ-4系列運(yùn)載火箭新設(shè)計(jì)了過渡艙內(nèi)壁掛載布局，且立方星分離機(jī)構(gòu)支架與過渡艙內(nèi)壁呈一定角度安裝，如圖7所示，以確保分離時(shí)的近場(chǎng)安全性。

圖7 立方星過渡艙內(nèi)壁掛載布局Fig.7 Cubesats Transition Cabin Inner Wall Mounting Layout

3 結(jié)束語

嫦娥四號(hào)中繼星任務(wù)是CZ-4系列運(yùn)載火箭首次用于發(fā)射月球探測(cè)器，也標(biāo)志著中國進(jìn)入了低成本深空探測(cè)時(shí)代，可為國內(nèi)外探月小衛(wèi)星提供發(fā)射服務(wù)。另一方面，采用一箭多星發(fā)射不僅是運(yùn)載火箭技術(shù)水平的體現(xiàn)，也是降低衛(wèi)星發(fā)射成本的重要途徑，CZ-4C運(yùn)載火箭在這方面已經(jīng)積累了豐富的成功經(jīng)驗(yàn)，未來還有較大發(fā)展空間。隨著中國月球與深空探測(cè)領(lǐng)域的不斷發(fā)展以及低成本航天活動(dòng)理念的持續(xù)推廣，CZ-4C運(yùn)載火箭將迎來新的發(fā)展機(jī)遇，持續(xù)煥發(fā)其生命力。