北斗收官衞星宣佈推遲風險解析:火箭燃料加註,進入不可逆程序

    北斗衞星導航系統自1994年發展至今已有整整26年曆史,截至目前已經成功發射58顆入軌衞星,北斗一號、北斗二號、北斗三號分別對應北斗工程三步走發展規劃:第一步建成提供中國境內導航服務的北斗一號雙星有源定位系統,第二步建成覆蓋亞太的北斗二號區域導航系統,第三步建成覆蓋全球的北斗三號導航系統。北斗一號已於2000年建成投入使用,目前已經退役,北斗二號已於2012年建成投入使用,北斗三號將於今年建成並向全球用户提供服務。

北斗二號導航衞星

    58顆北斗衞星發射做到了發發成功顆顆入軌的100%成功率,同時也成就了長征三號甲系列金牌火箭美名。

    按照原計劃最後一顆北斗三號GEO靜止軌道導航衞星瞄準6月16日10時11分至10時50分時間窗口前沿實施發射,也就是“零窗口發射”,這是系統組網要求,也是衞星軌道位置要求。

    最後一顆組網衞星的收官任務屬性也賦予此次發射非同尋常的意義,各大官方媒體也提前兩天針對此次發射任務進行高頻高調報道,這一待遇此前僅有載人航天工程與嫦娥探月工程享受過。

執行北斗收官衞星發射任務的長三乙火箭

    然而航天發射從來都是高風險任務,即便是?在北斗導航衞星100%發射成功率條件下也不可避免地面臨各類技術風險。就在臨發射前數小時北斗工程官網突然宣佈,發射北斗三號最後一顆全球組網衞星的長征三號乙運載火箭在臨射前測試過程中,發現產品技術問題,發射任務推遲,發射時間待定。

    在距離北斗三號全球組網僅有一步之遙之際遇此突發情況,這究竟是怎麼回事?目前官方尚未披露更多詳細信息,但從已經披露的消息中也可以體會一二。

北斗三號全球組網示意圖

    按照傳統慣例火箭一般會在臨發射前48小時加註燃料,而加註燃料就意味着火箭進入“不可逆”狀態,加註時間點越往後推遲對任務實施越友好,便於發現問題解決問題,因此今次發射加註燃料時間縮短為臨發射前24小時,根據央視最新披露消息可知在火箭推遲發射前助推器與芯一二級已經進入加註燃料環節。

長征三號乙火箭燃料加註

    執行此次發射任務的是長征三號乙改三型遙七十二運載火箭,“改三型”屬於增強運力型號,與長征三號乙標準型相比,芯一級加長1.488米,助推器加長0.768米,改進措施使得推進劑增加了將近20噸,地球同步軌道運力也從5.1噸升級至5.5噸。

    長征三號乙目前已知加註燃料的助推器與芯一二級採用的燃料是四氧化二氮與偏二甲肼,此種燃料有劇毒、強腐蝕屬性,一旦加註就進入不可逆狀態,如果泄出就意味着火箭箭體報廢,需要更換新箭體

四氧化二氮與偏二甲肼類燃料有劇毒屬性

    歷史總是驚人的相似,1992年3月22日長征二號E運載火箭在與執行此次北斗三號GEO衞星同一發射工位遭遇“中止發射”故障,火箭點火7秒後發動機啓動緊急關機的剎車操作,在這一過程中火箭發生位移,火箭底座支撐機構僅有幾毫米餘量空間,可以説差一點造成箭?毀人亡悲劇。

    技術人員冒着燃料劇毒危險,進入發射塔架搶險滅火,在險情尚未完全排除情況下實施了星箭分離操作,將衞星從發射塔架上卸載下來,後來排空燃料的長征二號E遙二箭體直接報廢。

長征二號E遙二火箭

    長征三號乙與二十八年前長征二號E遭遇的中止發射相比,有相同之處,但更多的還是不同之處。

    長征三號乙與長征二號E都是長征二號丙火箭的徒子徒孫,長征三號乙是在長征二號丙基礎上增加四枚助推器與氫氧燃料的芯三級而成。

    ?長征二號E則是在長征二號丙基礎上增加四枚助推器而成,就構型而言長征三號乙芯三級以下構型與長征二號E極為相似,使用燃料也都是偏二甲肼與四氧化二氮。

長征二號E遙二火箭中止發射

    長征三號乙屬於高軌運載火箭,因此加裝了進行高軌機動的芯三級,該級火箭使用的是無毒無污染的氫氧燃料,長征二號E則是近地火箭,因此沒有氫氧三級。

    以上是兩型火箭構型的相似與不同之處。

    長征三號乙遙七十二是在發射前探明問題,沒有進入點火發射流程,因此火箭一二級即便完成燃料加註,也還有很長的時間餘量用於選擇新的時間窗口發射。某型液體燃料東風快遞已經可以將偏二甲肼與四氧化二氮燃料加註儲存時間延長至一個月,而長征三號乙芯三級使用的是無毒污染的氫氧燃料,即便釋出燃料也可以二次加註。

東風快遞液體燃料已可加註儲存一個月

    今年早些時候,SpaceX公司獵鷹9號運載火箭也遭遇類似當年長征二號E火箭的發射中止危機,釋出燃料後又擇機圓滿實施了發射任務,這是無毒無污染類燃料的性能優勢,也是我國為什麼一定要發展包括長征五號、長征五號乙、長征七號、長征六號在內新一代無毒無污染火箭的原因。

獵鷹9號中止發射

    通過上述分析可知以下結論:

    1.即便助推器、芯一級、芯二級完成四氧化二氮與偏二甲肼劇毒燃料加註,也仍然有較長時間餘量用於排故並選擇新的時間窗口發射;

    2.即便遭遇最壞情況,釋出助推器與芯一二級劇毒燃料,也可以在短時間內更換新的箭體實施發射,這主要得益於長征三號甲系列火箭去任務模塊化生產工藝。

    3.在臨發射前探明問題沒有進入點火後中止發射環節,表明中國航天面對危機挑戰能力的進一步提升。

執行此次發射任務的發射工位

    歷史總是驚人相似的不僅僅只有長征二號E,2007年4月14日前北斗二號首發星也在同一工位遭遇衞星應答機故障。

    北斗工程三步走發展規劃中,第一步建成的雙星有源定位系統屬於試驗系統,並沒有納入北斗導航系統發射序列,因此北斗一號通常被稱為“北斗導航試驗衞星系統”,該系統與後來的北斗二號、三號有着明顯的不同之處,後兩者採用的是無源定位機制。

    就在北斗二號首顆星發射之前,我們與伽利略導航系統產生了頻率與軌道位置之爭,2000年我國在國際電信聯盟申請到了頻率與軌道位置,按照規定需要在7年有效期內發射衞星,併成功接收信號,同一時期伽利略系統也發射了衞星,但衞星並沒有發射爭奪的頻率信號,因此北斗二號搶在有效期內發射就顯得至關重要。

北斗二號首顆星

    北斗二號工程立項時間是2004年,也就是説我們只有三年時間,通常情況需要五年,為了在有效期窗口內實施發射,北斗工程團隊高效攻關,極大縮短了型號研製時間,最終趕上了2007年四月初的發射窗口,而就在火箭完成吊裝準備發射之際,突然出現衞星應答機故障。

    絕不帶着問題上天是我國航天自半個多世紀前東風二號導彈首飛失敗之後就定下的鐵律,工程技術人員在衞星已經進入發射塔架情況下連同整流罩將衞星卸載下來,並在72小時內完成了排故工作,火箭最終於當年4月14日順利發射,衞星經過軌道機動後於4月17日成功進入預定軌道,當第一顆北斗衞星發送指定頻率信號之際距離國際電信聯盟規定的七年截止時間僅剩4個小時

長征三號甲發射北斗二號首顆星

    這四個小時時間差可以想象當時技術人員面臨多麼巨大的壓力,火箭與衞星都屬於大系統工程,牽一髮動全身,任何一處失誤都可能導致失敗,沒有當年72小時連軸轉的拼命精神,北斗導航觸達全球的路程將更加艱辛

    自長征二號E火箭中止發射至今已有28年時間,如今的中國航天工程能力對比當年已有質的飛躍,火箭型譜更加完善,不再是非此即彼的艱難抉擇,長征五號、長征五號乙、長征七號等新一代火箭賦予我們位列世界前三甲的進入空間能力。

    載人航天工程、嫦娥探月工程都已經進入收官環節,嫦娥五號月球採樣飛船將於今年下半年實施發射任務,天宮空間站也已經進入在軌建造環節,不僅如此我們更是敢為天下先的將於下月發射一步實現繞落巡火星的天問一號飛船。

長征五號躋身世界現役火箭運力前三甲

    航天實力增強有目共睹,但與之伴隨成長的航天軟實力建設卻是另一番景象,當年長征二號E遙二火箭發射任務是我國首次航天發射電視直播,看到中止發射畫面的億萬觀眾無不痛心疾首,很多人發來電報、信件指責那一時期的中國航天人,第一時間送來鼓勵的卻是外方專家團隊,因為他們正是在數以百次的失敗中成長起來。

    航天探索本就是一條荊棘叢生的探險之路,神舟飛船之父戚發軔一個月前關於如何面對航天失敗問題的一段話值得每一位熱心航天的朋友們深思:

長征-8R集束式垂直返回複用火箭

    既要寬容和允許失敗,也要承認失敗,更要善於總結失敗的教訓。建設航天強國的目標任務很重,所以需要格外強調創新。如果誰都不敢第一個吃螃蟹、不去冒風險,那就無法暴露問題、無法取得進展。我們應有這樣的意識:新的東西,可能成功,也可能失敗;取得創新成果是成功,失敗找到了原因也是成功。只有堅持自力更生,不斷提升自主創新能力,才能推動我國航天科技實現跨越式發展。

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