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楼主: 哈里.谢顿

[历史] 【不定期转载】冷战空天科技拾遗

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 楼主| 发表于 2018-10-27 21:28 | 显示全部楼层
高能金牌上面级----美国半人马液氢液氧上面级
世界各国的上面级大同小异,基本结构均包括遥感控制系统、姿态控制系统、导航、供电和测控设备、火箭发动机、推进剂贮箱、卫星适配器等,但要说最高能、安全记录最好,都会一致推举美国“半人马”上面级,由于采用了液氢液氧作为推进剂,业内戏谑半人马是“高能大牲”(WORKHORSE)。
一、  名字的由来
苏联于1957年10 月4 日首先把第一颗人造地球卫星送入太空, 抢得先机。在这种形势下,美国需要有一款更给力的运输工具来为自己加劲儿。
半人马上面级由美国通用动力公司(GD,General Dynamics)康维尔(Convair)分公司在1958年启动研制,而其液氧液氢发动机则由普惠公司开发,原本是设计用于宇宙神(Atlas)运载火箭系列,定位为高能上面级。
名字由该项目主任Krafft Ehricke赐名--Centaur:引用希腊神话中半人半马的怪物,他们下半身是马身,包括躯干和腿,代表宇宙神火箭的强壮有力;他的上半身是人形,代表了半人马组合中的“大脑”。如果将该上面级翻译成半人马座,其实曲解了用意。
图1:Centaur,半人马。如果将该上面级翻译成半人马座,其实曲解了用意
二、艰难驯服液氢---摘取上面级皇冠
上面级为了实现长期在轨的能力,大多采用了常温的可贮存推进剂,燃料一般采用一**、偏二甲肼或**,氧化剂一般采用**,这类剧毒常温推进系统的比冲最大也就是330秒多一点,因此入轨、变轨能力相对还不是很强。这里也介绍一下,火箭比冲,它就如汽车使用单位体积燃油所能行驶的公里数, 可以表征燃料效率的高低,因此火箭工程师都希望采用高比冲推进剂。而液氢/液氧推进剂比冲可以达到450秒以上,带来的速度增量非常明显!而且,无毒无污染,成为各国攻坚目标!
图2:不同的氧化剂和燃料组合的比冲对比
但液氢实在太难伺候了,从工程学上实现花费了极大的努力。
(一)攻克热控难题
太空中是温度极低的真空环境,零下200多摄氏度,但被太阳一晒温度又会到极端的上百度,液氢的贮存温度太低,零下253度,随着热交换,会不断的蒸发。长期在轨情况下的热控难度太大,一天的蒸发量甚至在20~30%左右,早期半人马液氢箱表面不隔热,由于太阳辐射作用产生很高的加热率,在D-1A型号(适配Atlas宇宙神基础级火箭)达到了11.1 kW,开始滑行几分钟后就要排气,导致浪费燃料缩短轨道滑行时间,甚至无力进行第二次启动。
1974 年底半人马D-1A 的改型D-1T “半人马” D-1T(适配Titan大力神基础级火箭)为了绝热,在液氢箱外壁增加3 层镀铝聚酯膜,隔离辐射热,太阳加热率从8.2 kW 降低到0.15 kW,降低55 倍。同时飞行器每28分钟滚动180°,长期滑行时受热均匀(想起烤全羊了吧)。
2007年ULA公司还研究给半人马用上太阳遮蔽装置,以减少液氢的蒸发。
图3:2007年ULA公司研究给半人马上面级用上太阳遮蔽装置
图4:太阳遮蔽装置展开工作示意图
(二)应对液氢低密度
半人马的研制,被寄予了厚望,NASA打算用他进行广泛的地球轨道任务、月球勘察和行星研究,第一次半人马飞行测试就定在了1961年1月。但实际情况却是一波三折,时间表被一系列的问题、失败、试验台爆炸和其他延误所困扰。一个大的争执是液氢的低密度引发!
低密度,液氢的密度只有70.8kg/立方米,大概是煤油的1/12,势必导致贮箱的大体积、份量重,影响干质比!不过,你可以随意捏扁一个空可乐罐,但你肯定不能捏扁一听未开封的!就是这个道理,半人马继承了宇宙神火箭“不锈钢气球”贮箱的设计,大胆采用了301薄壁不锈钢材质。细心的读者可以在半人马发动机边上发现几个大圆罐,就是贮存氦气给贮箱增压,这个做法,在当时是冒险,第一个吃螃蟹!
图5:早期的半人马,标配4个高压氦气罐
图6:采用极薄的301不锈钢,通体透亮
图7:工作人员垫着褥子,躺在“不锈钢”气球壁上进行检查
在1962年5月8日的半人马第一次发射,任务代号AC-1(AC, Atlas/Centaur,宇宙神/半人马,下同)在发射后54秒,由于动压撕裂了4块隔热板中的一块,液氢贮箱直接暴露在大气中,大量的热交换导致液氢猛烈汽化,贮箱超压破裂,星箭俱毁。这次失败甚至让美国国防部的官员确信,直到1966年才能用上半人马!
这是一次薄壳创意冒险和保守求稳的对峙!
冯·布劳恩的土星系列火箭与之形成了鲜明的对比,在14年的发射中几乎没有出现重大事故。冯·布劳恩对半人马的进度拖延和不断的问题极度不满,他评价道:“有些太冒进的手法。为了降低几磅的重量…结果问题还没有解决,自找头痛的问题一大堆”。他拍着桌面说,你们必须现在就立即将半人马项目停掉”。而Ehricke则对冯·布劳恩团队的保守设计方法多有讽刺,说他们不是在造火箭,是在造“布鲁克林大桥”。对峙双方关系一度紧张,而首发失败导致矛盾进一步加剧。
面临这样的问题,操盘手NASA的态度其实是明确的,支持航天创新(想一想SpaceX和Musk,其实也是NASA的得意之作!)在1962年10月8日,NASA将半人马项目的管理权转到了刘易斯研究中心,派在NASA工作超过30年的铁腕领导----希尔斯坦(Abe Silverstein)中心主任接管。希尔斯坦是空气动力学专家,同时他又富有卓越领导力,水星计划和阿波罗计划的名字拜他所赐。希尔斯坦做了3件事情:
第一,重建管理团队,亲自担任领导半人马项目,并有2位经理在他的指导下协助工作,技术方面则由41人参加;
第二:控制成本和采购,将当期半人马项目的成本控制在预算的3.5亿美元,并续签第二个合同;对外争取到对供应商 “DX”级的最高工业采购优先权​​;
第三:控制期望值,对外宣称前8次均为测试发射!对内,要求将一切“可以做地面测试”的东西都做测试,持续进行改进!在测试发射完成证明半人马的可靠性之前,任何一个实际的探测器都不能发射。在前8次测试飞行中,获得了充分的数据,对设计进行了优化和改进,为后续的高可靠性打下扎实基础。
对于航天系统性工程来说,一位对外能够争取资金、技术发展方向支持,对内能够理顺管理、梳理制度和流程的管理技术复合型人才,极为重要!
图8:Abe Silverstein(1908.9.15,~2001.6.1)
在这位卓越管理者的带领下,1964年6月30日第二次发射成功!遥测数据显示液氢罐保温板设计强度确实不够,因此重新设计了有更厚加强筋的保温板,由此增加了800磅的重量,需要在起飞大约180秒的时候弹射,该问题消除疑虑。
后续不锈钢气球的梗再也没有被人嘲弄而是被喳喳称赞!低温高能推进剂和干质比的矛盾通过创新设计得以解决!
图9:AC-13~15半人马液氢贮箱的不锈钢壁厚度和硬度,顶部最薄处0.25毫米
(三)攻克空气吹除难题
-252.7℃液氢,远远低于了冰点为-209.8℃的氮、-218.4℃的氧,后果是液氢遇到空气,空气中的氮、氧通通结冰,堵塞通路和涡轮泵,冰晶撞击管道的能量甚至会引爆液氢!为了把氮气、氧气隔绝在外液氢输送管道之外,半人马在发射前有复杂的空气吹除工序,用氦气进行吹除。
而这并不是耸人听闻,而是付出过沉重代价!即便是半人马上面这样的老手,在超过20年无失败记录之后,1991年的4月18日AC-70和1992年9月2日AC-71两次发射过程中,均出现了发动机退服导致的发射失败!调查发现空气沿一个冷却单向阀进入泵腔后结冰,造成涡轮泵咬死。设计上的缺陷,加之为了提升发动机性能而采取激进措施导致单向阀失效。
驯服液氢,一个字----难!
其他还遇到了液氢的一些小问题,就一笔带过了:
1、工程师们发现“氢的湿滑多变特性”。液氢的极冷温度使得密封管道接口不能使用橡胶垫片,使用一种特氟龙涂层铝制垫片解决;
2、液氢液氧火箭发动机起动前,氢泵的初**对于低温液氢为高温物体,液氢一旦接触氢泵,便会迅速地产生沸腾、气化等现象,在氢泵通道内形成气、液两相流动,发生气蚀。因此,必须预先用液态氢冷却氢泵,使氢泵表面温度降到液氢饱和温度以下。16年11月3日长征5号发射延迟原因,就是因为氢泵没有冷透,最后采取紧急预案冷却氢泵,卡在最后沿完成发射
3、液氢的低温,会导致氢泵的润滑油冻住,工程师改为使用特氟龙的碳氟化合物。
三、难以回避的推进剂沉底问题攻坚
大家会不会想到,上面级工作在空间微重或低重环境下,推进剂在贮箱做漂浮状态下的”布朗运动”,你永远不知道下一刻进入泄压排气管、发动机输送管道的是推进剂还是加压的氦气……问题就来了,如果气体进入发动机,就会呛着,对涡轮泵叶片形成气蚀并导致涡轮泵失速,如果液体进入泄压排气管道,轻者影响姿态,重则引发各种不测。
因此产生了低温上面级的推进剂管理问题。“推背感”!对,要的就是推背感!通过连续推力或间断推力发动机产生重力加速度G,让推进剂“坐”在贮箱底座上。
但这仅仅是思路,半人马上面级无疑是推进剂沉底实践的先驱,而且是从失败中摸索出经验!在宇宙神/半人马第4次飞行(AC-4)中,2台推力为8.9N的沉底发动机的推力并没有抑制住推进剂沉底,液氢从贮箱顶部排气口排出爆炸,发射失败。
事后分析发现,半人马第四次飞行发动机关机进入滑行段时,主发动机关机时加速度2.44g,急刹车!液氢的最大晃幅可达11m,而关机时液面距箱顶仅4m,两台沉底发动机根本无效,造成液氢从排气口排出。在总结AC-4 失败基础上,对AC-8 采取了一系列措施:主发动机第1 次关机时,两台推力为222N(推力明显加大)的沉底发动机点火,强推背,控制关机时的晃动,持续100秒,同时在液氢箱内增加了防晃挡板,晃动波高压降到0.9m 。在随后1350s 的滑行时间推力两台小推力(13.3N)发动机工作,小推背,进一步稳定沉底效果。除了刹车时沉底,滑行过程中以及重新启动也需要沉底发动机工作。
通过上述方法,攻克了沉底问题,后续在D-1T中进一步优化隔热,减少排气次数,降低沉底发动机工耗,延长了上面级在轨工作时间。
半人马、土星Ⅴ上面级S-ⅣB、阿里安5上面级ESC-B,均采用连续推力控制或间断推力控制的方法产生千分或者万分之一单位的G,使推进剂沉底。SpaceX的BFR也不例外!
图10:SpaceX的BFR利用控制发动机产生毫G加速度实现燃料沉底
四、披荆斩棘,不断迭代----了不起的液氢液氧发动机RL10
普惠公司(温馨提示,不是那家打印机制造商惠普)因航空涡轮/涡扇发动机出名,但不为人知的是在他合并洛克达因公司前,已经在火箭发动机上有建树。起初是接受了空军和CIA以J57涡轮发动机基础,研制液氢驱动的涡轮发动机项目,成功的设计制造首台液氢驱动的涡喷发动机304,同时解决了液氢制造、贮存、运输等配套问题。基于普拉特一惠特尼公司304计划的成功以及现有的两台液氢生产设备,半人马上面级发动机的研发合同交给了普惠。
图11:普惠公司生产的世界上首台液氢驱动的涡喷发动机304
(一)选择高效的闭式膨胀循环
闭式膨胀循环将涡轮与推力室进行串联,液态推进剂流经推力室冷却通道汽化和加热,引出驱动涡轮,从涡轮排出后再导入推力室,与主推进剂组元一起燃烧。没有涡轮排气,没有一点跑冒滴漏,因此可以获得较高的发动机比冲;没有燃气发生器,结构简单、重量轻、可靠性提高。不过通过推力室冷却套对推进剂的加热量有限,气氢对涡轮的做功能力受限,燃烧室室压一般仅能达到3~10MPa,但上面级工作环境特殊,由于发动机向真空排气,因此即便室压不高,通过提高喷管扩张比仍然可以获得较高的比冲,低温的液氢极易吸热汽化,导热性非常好,比大多数气体的导热系数高出10倍,这些特征让闭式膨胀循环成为了最佳选择!如下图,工作过程分为三步:
①    液氢进入再生冷却通道吸收热量汽化
②    汽化的氢气驱动燃料涡轮泵和氧化剂涡轮泵,泵旋转将更多的燃料和氧化剂压入冷却通道和推力室头部喷注器。
③  完成驱动的气氢进入燃烧室,点火燃烧,放出的热能加热更多的液氢汽化,形成循环。
图12:闭式膨胀循环工作示意图
(二)冷却通道和喷注器
304发动机用总长约7.24Km的管子制成直径为1.83m的环型结构的热交换器,工程师把这种环形结构略作修改,研制了束管式再生冷却通道,完美解决燃烧室与喷管的冷却及热传导的需求,让液氢得到足够的热量传导为驱动涡轮提供足够的动力!在研制过程中,为了解决燃烧不充分的问题,钎焊的束管喷管由直上直下的锥形修改为线条优美钟型,比冲增加3%,并和这位美丽的NASA小姐的短裙相映成趣!
图13:钎焊的束管喷管线条优美钟型,和这位美丽的NASA小姐的短裙相映成趣!
RL10发动机的喷注器是在NASA路易斯研究中心喷注器设计及试验基础上设计改进的, 液氢液氧燃烧的烈焰温度超过3千摄氏度,普惠公司在喷注器表面增加一层特殊的带纹理的铝制面板,辅助绝热冷却!
图14:RL10发动机推力室的喷注器,中间的空腔是用来安装点火器
​初期RL10安装的是用电容放电的火花塞点火器, 这种点火器重为3.22kg,工作时间2秒, 每秒产生20个火花, 每个火花的能量为0.5焦耳。在研制初期,由于无法保证火花塞附近的混合比, 点火不可靠, 情况严重时可能因氢气积累而引起爆炸。为此,后续将直接点火系统改成了火矩式电点火器,实现了多次可靠点火,满足空间变轨的需求,胜任空间任务。
图15:双头双冗余火炬式电点火器 Dual Direct Spark Ignition (DDSI)
​同轴喷注器单元中液氧以较低速度喷出,气氢在环绕液氧管的环形缝隙内高速喷出并产生剪切作用,使液氧雾化并混合,使得燃烧充分!同时气氢对喷注器盘进行整体隔热冷却, 解决了喷注器盘的变形问题。
图16:RL10采用同轴式喷注器单元,是液、气两种不同形态推进剂高效混合
(三)榨干比冲潜能----可延伸喷管
    刚刚说了膨胀循环的的室压做不太大,RL10A-3-3的发动机室压为2.76MPa,真空比冲为444秒。离液氢液氧燃烧的比冲理论值还有潜力可以挖掘!为了让燃气充分膨胀,喷管通常设计为较大的扩张比,可延伸喷管诞生!由基础喷管(与燃烧室固定连接)和喷管延伸段组成!
1995年美国研制德尔他3的低温上面级RL10B-2,它采用大扩张比、92Kg重的碳-碳材料可伸展的喷管延伸段(长2.5M,法国SEP研制), 工作时通过移动机构将喷管延伸段从收敛位置移动到展开位置,喷口扩张比达到惊人的280,世界第一!在太空,喷管延伸段徐徐下滑,专治欠膨胀,燃气不测漏,内能完全膨胀为动能喷出!真空比冲达到465.5秒,直逼液氢液氧推进剂的理论工作极限!推力11.2吨,重量仅为277公斤。1999年长喷管的RL10B-2发射成功!
图17:在太空,喷管延伸段徐徐下滑,燃气不测漏,内能完全膨胀为动能喷出!
图18:RL10B-2的基础喷管+延伸喷管
五、不断推陈出新,老当益壮,家族庞大,功勋卓著
在55年的发展历史中,半人马上面级根据任务需要,紧跟形势,不断推陈出新,家族庞大!
图19:1996年之后,半人马又出了半人马D3A/B、D5单双引擎型号,上图画不下
(一)初代半人马----Centaur D
在成功研发之后,型号确定为半人马D,长9.1米, 直径3 米, 加满燃料时重17.4吨。由于采用的是液氢液氧高能推进剂,两台RL10A-3-3发动机提供133千牛推力,它的运载能力较强, 同宇宙神基础级配合可把1844公斤有效载荷送入GTO轨道。
图20:初代半人马----Centaur D
基本型半人马D在1966年5月30日,宇宙神/半人马火箭将第一个月球探测器“观测者1号”送到了月面风暴海,实现了软着陆,这是美国第一个在地外成功着陆的航天器,为阿波罗计划立下汗马功劳(确实是汗马)。
图21:这是美国第一个在地外成功着陆的航天器----月球探测器“观测者1号”
到了70年代,半人马已经非常成熟,取代了阿金纳上面级,担当了很多军用、商用发射。
(二)和宇宙神搭配默契--- Centaur D-1A系列
NASA的刘易斯研究中心拨款4000万美元的改进项目,增加了新的导航/控制系统计算机,实现半人马级的电子和制导系统现代化。采用推力更大的发动机,单台由原来的15,000增大到了大约16,500磅。搭配宇宙神G,能将2358公斤载荷送入GTO轨道。
图21:Centaur D-1A吊装过程,薄壁结构要求操作小心翼翼
宇宙神/半人马D-1A发射了大量先进的通信卫星, 包括TDRS、ECHOSTAR、EUTELSAT、INTELSAT、GALAXY等。
(三)适配大力神的半人马--- Centaur D-1T
     适配大力神3E(Titan-ⅢE)的半人马D-1T有在停泊轨道长时间滑行的能力,主要用来完成逃逸任务,特别胜任行星际探测器的发射任务。任务编号为TC-1~7,成功发射了太阳神(Helios)1/2太阳探测器,海盗(Viking)1/2火星探测器和著名的旅行者(Voyager)1/2深空探测器,为了解行星和深空发挥了举足轻重的作用!当中少的这一次,其实是失败,原因众说纷纭,担任小白鼠的卫星名叫斯芬克斯(Sphinx),是研究外太空高能粒子的实验卫星。
图22:半人马D-1T唯一一次失败----发射斯芬克斯(Sphinx)实验卫星
图23:半人马D-1T和海盗、旅行者的合影
图24:大力神3E/半人马D-1T,深空探测的功臣
(四)适配航天飞机的半人马--- Centaur G系列(矮胖墩系列)
随着航天飞机的推出,美国宇航局和空军需要一种上面级将有效载荷从低地球轨道携带载荷到目标轨道。大家把目光聚焦到从70年代以来100%成功的半人马上面级。由于航天飞机的货舱长度仅为60英尺,为了发射较大长度的航天器,如长40英尺的卫星, 要采用较短的半人马级, 缩短贮箱长度,同时将液氢贮箱的直径增加到14.2英尺,可以装载29.95万磅推进剂,同时保留了10英尺直径(3.0米)的液氧罐。俗称矮胖半人马G,长度19.2英尺。
惯性上面级(IUS)固体火箭发动机的起步加速极快,可能会损坏有效载荷,并且一旦点燃就不能关闭,矮胖半人马G不仅避免了这些问题,而且发射能力是能力的一倍多,直送GEO的能力达到4540公斤。
     但整个项目由于挑战者号的失事被取消!
图25:被遗忘的航天飞机和半人马G PRIME合影
     Centaur G系列后续和大力神4火箭搭档,共生产16台,编号TC-8~23。矮胖继续了半人马深空探测器快递工作,包括递送最近因公殉职的卡西尼!在1997年10月15日,“半人马”奋力一掷,让有史以来最重的深空探测器----5.7吨的卡西尼号获得第二宇宙速度,送达地球--土星的转移轨道!
图26:半人马发射5.7吨的卡西尼号土星探测器
半人马上面级直到21世纪仍然不断改进,配备了俄罗斯RD-180发动机的宇宙神5和单发/双发RL10的半人马组合的成功发射,标志着两大巨头在冷战结束之后在技术合作上微妙的蜜月期,当我们看到黑店ULA惊人的成功率时,不要忘记半人马上面级!
结束语:
半人马上面级世界上第一个攻克液氢技术,引领了液氢技术在土星系列火箭上面级,以及在航天飞机上的应用。尽管开局困难,中途挑战重重,半人马对美国运载火箭技术的发展做出了重大贡献,可以说半人马上面级是一个奇迹。
但奇迹背后,NASA功不可没,不仅在危难时候,派得力干将接管步履蹒跚的项目,渡过危难之际!之后,帮扶工作仍在继续!1971年10月为了提升半人马安全性,NASA的刘易斯研究中心和普惠公司成立了一个团队完成深层次的发动机评定,这个评定包括修改RL10发动机的故障模式和影响分析(FMEA,Failure Mode and Effects Analysis),要求对点火、电磁阀、启动阀、供应阀等关键零部件实现冗余设置,用以消除单点失效问题,并要求检查所有地面设备和发动机与火箭的安装技术中潜在对发动机造成危害的因素,后续20年,RL10成功率达到100%。上面提及的两起冷却单向阀故障,事实上,1971年已经要求安装冗余组件!半人马高成功率的背后的又是NASA!
这个故事是否似曾相识?看今朝,大家都说SpaceX的Musk历经九死一生,大获成功,如有神助!那么,这个神,就是背后默默的操盘手—NASA,无论是为了技术上的突破、可靠性管理,还是为了扶持商业航天、进一步降低发射成本!

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 楼主| 发表于 2018-10-27 21:30 | 显示全部楼层
太阳能电推进----静止轨道通信卫星瘦身治疗方案漫谈
​​导语:前几期都讲到静止轨道通信卫星的减重大难题,这一期要讲讲,真正让卫星大幅减重提效的电推进技术!电推技术,让卫星瘦身减重,节省5000万美元的推进剂运费,这已经可以做到!
《昂贵的自驾出行---地球静止轨道通信卫星独上3.6万公里》提到,打一颗地球静止轨道卫星,动辄上亿美元的发射费用,但七七八八一算,一颗5吨重的卫星,不起眼的配角推进剂居然达到了50%的重量占比,实际的有效载荷也就几百公斤~1吨左右。可以算一笔账,2017年9月29日发射的亚洲9号通信卫星,1个亿美元的发射费用,而卫星6.14吨重量里,毛3吨的推进剂花了5千万美元!
和运费比起来,采购卫星的**、一**推进剂,单价350美元每公斤,合计100多万美元的推进剂的费用都不是什么事了。
一、这些金贵的推进剂用到哪里去了呢?(一)GTO轨道远地点加速,调整倾角、定点
一般运载火箭上面级送卫星到GTO轨道,剩下的路只能靠卫星的远地点发动机,把静止轨道线速度提到3.07公里/秒,同时将倾角调整为0并圆化,以北纬28度附近的美国卡角和中国西昌为例,需要的速度增量为1824米/秒,需要消耗约80%的推进剂,这是大头。
(二)树欲静而风不止——静止轨道卫星抗拒三重诱惑和一个排挤上的开销
想在地球静止轨道安安静静工作的卫星,受到日月引力、地球扁率、太阳光压的叠加影响,导致其轨道平面不断发生进动。这三重“诱惑”和排挤的潜移默化,不加管控就卫星就“出轨”:
1、第一重——日月引力的摄动
地球自转轴和黄道面(地球公转轨道平面)成23.5度的夹角,每年从夏至开始太阳向南运动,像磁铁一样的万有引力把地球静止轨道上的卫星往南拽,冬至哪天开始又往北拽。这是太阳引力产生轨道倾角摄动,因此卫星需要南北位置保持。
图1.以地球为参照物,描述静止轨道卫星每年的“忐忑不安”
再说说月球,月球的公转轨道面(白道)和黄道呈5.15度夹角,且轨道面在不断进动,进动周期为18.6年,这期间,月球轨道和地球赤道的夹角在23.5±5.15度内变化,同样会导致静止轨道的通信卫星南南北北的被折腾。
上述日月摄动导致卫星倾角的初始变化率约为0.85°/年,每过26.5年倾角达到最大值15°。为了修正这项引力摄动,卫星需要进行定期的南北方向的轨道位置保持,每年用于修正倾角的总速度增量大约为50m/s,这是通信卫星在轨最大一笔开销。
2、第二重——地球偏心率的摄动
经度的漂移主要是由地球非球形导致的——赤道略呈椭圆形。静止轨道上有两个稳定的平衡点(75.3°E和104.7°W)和两个不稳定的平衡点(165.3°E和14.7°W)。位于静止轨道平衡点之间的卫星等航天器,在没有任何机动的情况下,会缓缓朝着两个稳定平衡点加速移动,这导致了经度的周期性变化。为了修正经度漂移效应,静止轨道卫星每年共需要大约2m/s的速度增量来进行东西方向的轨道保持,具体的数值取决于卫星的定点经度。
3、第三重——太阳光压
     太阳光子具有动量,不停的照射在静止轨道卫星上,尤其是那一对硕大的太阳能帆板上,虽然太阳光子的动量很小,在地球轨道附近,靠太阳光子撞击产生的光压只有9N/平方公里,但日积月累,这的影响也不小,需要定期修正。
为了抗拒这三重诱惑和排挤,卫星的化学推进器定期要开机进行调整,一般以两周为单位。但如果卫星的推进剂耗尽,就无法在地球静止轨道“定点”,地面的接收站工作起来天线锅要摇头晃脑,非常辛苦!
(三)动量轮卸载----推进剂在通信卫星保持精确指向中的日常开销
通信卫星要求其天线面精确指向目标区域、太阳帆板垂直对准太阳,但个别卫星的设计,头重脚轻,或者由于星上设备的工作产生磁场导致整星合成磁场不为零,那么在地球重力和磁场作用下,分别产生重力梯度力矩、地球磁场力矩,导致卫星歪头斜脑,指向精度和姿态稳定度不行。
重力梯度力矩,简单讲,就是卫星重的那一头,被地球万有引力给吸过去,侧身了!地球磁场力矩,卫星上的仪器,电流流动,按照安倍定则产生磁场,如果整星磁场不均衡,会被地球南北磁极给吸过去,拿大顶了!
目前主流的通信卫星采用了三轴稳定方式控制姿态,三轴稳定的作用机构,更多的采用了反作用轮(Reaction wheels)和控制力矩陀螺(CMG,Control Moment Gyroscope),提供精确的控制力矩,对其姿态进行准确修正,而且不需消耗工质、寿命长,已成为空间航天器姿态控制系统的主要执行机构。
1、反作用轮:其工作原理,打个比方,就像在平衡木上快要掉下来的运动员,他张开双臂,努力顺着掉下的方向挥动,而身体通过反作用力试图保持平衡。用于姿态控制的全功能反应轮系统需要至少三个反作用轮,每个反作用轮用于俯仰,摇摆和偏转轴。姿态控制计算机精确的控制电机通过施加扭矩来增加角速度,反扭矩驱动卫星到令他满意的位置。
图2.3个反作用轮用于俯仰,摇摆和偏转轴实现三轴稳定
​2、控制力矩陀螺:通过调整内部高速旋转的反应轮转速来调整或稳定卫星的姿态,虽然精度高(哈勃太空望远镜就采用这个方式,精确窥视宇宙星系),但受限于转速和飞轮质量,力量小、调整速度慢,对于像国际空间站(ISS)那样的大家伙,在轨道交会对接的时候,光是靠动量轮则力不从心,则需要控制力矩陀螺(CMG, Control Moment Gyro)
高速旋转的陀螺,由于转子的角动量,有抗拒方向改变的趋向,脾气“倔强”,控制力矩陀螺通过调整高速旋转转子的旋转轴的方向,对外输出控制力矩,调整卫星等航天器的姿态,可以提供“洪荒之力”,与传统动量轮相比, 控制力矩陀螺的输出力矩远大于反作用轮的输出力矩(通常在数百倍以上), 具有较高的能效比;与喷气推力器相比,控制力矩陀螺既能提供大的控制力矩, 又能精确、连续地输出力矩,并且不消耗燃料。因此对于大型长寿命航天器, 控制力矩陀螺是最为理想的姿态控制执行机构。
图3. 国际空间站的控制力矩陀螺真是巨无霸
图片上传失败!点击重试图4.国际空间站的合计共四个控制力矩陀螺
ISS的姿态由四个控制力矩陀螺和一个反作用力系统动组成,这些CMG大的惊人每分钟6600转,每个100公斤重(光运费就不得了,安装人工费更贵)!
不过现在小型化CMG越来越多的在卫星上使用了。
3、动量轮卸载:再回想一下,平衡木上挥动手臂的运动员,在他站稳了之后,第一件事情就是小心翼翼的把手抽回,以备下一个动作。上述两种采用轮控的姿态控制系统,当持续进行姿态调整的时候,工作的转轮的角动量会达到饱和(达到最大角动量),转速超限。在这种时候,必须借助推进剂工作的反作用力系统RCS(Reaction Control System)或磁力矩器,提供必要的扭矩执行动量轮卸载任务。
(四)离轨
一般来说,卫星的推进剂耗尽时,无法进行南北位置保持控制,如果其转发器以及星上其他系统还能正常工作,则发挥他的余热在倾斜轨道上运行,其星下点以赤道为中心画“8”字图案,只能说将就着用了。更科学的是通过推进剂,把卫星轨道提升到“坟墓”轨道处理掉。
上述四个部分的工作,需要通信卫星必须携带足够的推进剂,提供速度增量需求。“中星9A”发射的时候,挪用了宝贵的推进剂用来修复三级姿控出现的轨道问题,导致原定15年的寿命缩减为5年。
二、为什么不就地取材使用太阳能?
日地距离下,太阳辐射的全谱总能量达到1.368kw/平米,目前太阳能电池技术日新月异,从双结砷化镓电池的极限效率为30% ,三结砷化镓电池的极限效率为38% , 提升到四结砷化镓电池的极限效率----41%!因此几十个平方就可以提供10~20千瓦的电能!
有了电,很多需要依靠化学推进剂做的事,就可以被替代----终于轮到本期的主角,电推进技术出场了(抱歉,前戏实在太长了)。
电推进技术的基本原理是由电能驱动工质,使其加速喷出以产生反作用力。依据产生推力的方式不同可分为3类:电加热式、静电式和电磁式:
1、电加热式推力器是通过电能加热工质使其膨胀加速喷出获得推力,分为电阻加热、电弧加热等,该类电推力器比冲适中,结构简单。
2、静电式,又称为离子发动机,是通过强静电场对离子化的工质加速后排出,能够达到较大的排气速度,具有最高的比冲,其功耗需求也最高。细分为电子轰击式、接触式、回旋加速谐振、场效应发射离子推进系统;
3、电磁式,电磁式电推力器依靠电磁场加速工质产生推力,又分为脉冲等离子体推力器(PPT)和稳态等离子体推力器(SPT),而后者又称为霍尔推力器。
电推这个家族实在太庞大,三代以内直系亲属有大约17种,限于篇幅,我这里,类似摘掉顶子放气的高压锅型电加热式推力器不做介绍了,就介绍一下当前商用的主流电推进器:
(一)离子电推进器(Ion thruster)
1960年6月美国研制成功了世界上第一台实用型电推进装置,并将其命名为离子推进器(Ion thruster),这种推进器被称作电子轰击式离子推进器,属静电式。其工作过程分为三步:
1、电离:用轰击等方式电离气体室中的气体(比如汞蒸气、铯蒸汽、氪气、氙气等),得到我们需要带正电的重离子。
2、加速射出:这些正离子被电场加速后快速喷出,产生推力。
3、中和:一个被称作电子中和枪的装置在不停地向发动机喷出的离子喷流中发射电子,以便中和正离子流,让航天器本身不会积累大量电荷。
图5. 离子电推进器工作原理
1964年7月20日,两台NASA制造的离子推进器被装到了SERT-1号卫星完成了首发,其中汞离子推力器那台成功工作了31分16秒。
汞和铯都需要加热才能产生足够浓度的气体,而且等离子体羽流会溅射、腐蚀飞行器表面。目前主流离子推进器的工质采用氙,原因在于氙易电离(一次电离电位为12.13V)、离子重(原子量131.1)和对航天器附着腐蚀较少等特点成为了电推进系统中的优质工质,美国L-3公司的氙离子推进器(XIPS),XIPS-25工作寿命达到3万小时,比冲超过3400秒。
图6. XIPS-25推进器的工作参数,具有双模工作能力
(二)PPT(不是我们办公的软件,是Pulsed Plasma Thruster,脉冲等离子推进器)
    PPT,脉冲等离子体推进器有点像做刀削面,依靠脉冲大电流放电电离一层推进剂,并加速喷出:
1、充电:给推力器的电容器充电到它的工作电压, 电压高达3kV,这个电压也同时加到特氟龙固体推进剂隔开的电极间隙上。
2、点火:电点火器点火时产生的微量放电, 在特氟龙固体推进剂表面形成足够的电导率。
3、电离:推力器电容所贮存的能量沿特氟龙表面释放,推进剂的表面几层被烧蚀电离,并被电流产生的自生磁场所加速。
4、无需中和:由于形成的等离子体是电中性的, 所以无须进行电荷中和。在电容器放完电之后, 循环可以重复或者马上停止。
5、在特氟龙表面被削掉一层之后,馈送弹簧顶上,下一层继续!
图7.特氟龙被一层层削出喷了!----脉冲等离子体推进器刀削面式推进原理
图8. 脉冲等离子体推进器工作瞬间
一次脉冲工作时间仅为几十微秒之内,产生的瞬时推力可以高达一磅或者更高,并可通过电脉冲的占空比调制实现精确的推力调节,无需电气开关、阀门和磁体。特氟龙推进剂可以直接在空间环境的真空条件下贮存而无需任何贮箱。整个推进系统具有高的可靠性,耗电也仅为几十瓦,但其推力仅为微牛级别,而且电容器的由于工作在3kV,寿命还做不到很长,因此目前PPT应用场景更多聚焦在小卫星上。
图9.地球观测者卫星上的脉冲等离子推进器
(三)霍尔推进器(Hall-effect thruster,HET)
霍尔推进器是SPT(Stationary Plasma Thruster)稳态等离子推进器家庭的一员。美苏两个国家都致力开发它,1960年代初美国率先公开发表,但嫌弃它性能不高而终止,但苏联坚持了下来并杀出一条血路。其工作过程,分为6步如下(动作分解后,我这版本应该是互联网上能够找到的最平易近人的了):
①阴极稳定释放电子;
②电子在电场作用下进入放电室;
③电子形成的电流在环形磁场的洛伦兹力的作用下,螺旋加速坠向阳极,这个电子束便是霍尔电流的来源;
④这股高速环形运动的电子束,在阳极附近狙击喷出的推进剂工质,激烈碰撞后使工质电离;
⑤在电磁场的作用下,推进器工质的离子产生轴向加速度,并最终高速喷出,形成推力;
⑥工质离子羽流被中和。
图10. 霍尔推进器的6步工作法
图11.霍尔推进器的外观特点是,中心那个磁铁芯发黑,看上去稳重
霍尔推进器的比冲在1400~1600秒左右,相比较离子推进器低了一半且羽流发散易飞溅。但是他的突出优势是:
1、结构简单,无需安装离子推进系统所需要的栅极(易变形、易烧蚀、易短路),STP-100的重量仅为4公斤;
2、功耗低、电压低:霍尔推进器的功耗为1350瓦,80mN推力级别较离子推进器功耗下降了约40%;放电电压约300伏,是PPT的十分之一左右,因此其可靠性更高。
苏联的这项技术在解体之后迅速被美欧采购并开展大规模的商业化应用。其中苏联火炬设计局(OKB Fakel ) 研发的SPT-100系列被西方国家合作进行了研究和再开发,这个推进器是墙内开花墙外红。2003火炬设计局亮相了二代SPT-100B,在2011展出下一代SPT-100M原型。
图12. 墙内开花墙外红的SPT-100系列霍尔推进器
(四)电推进器技术小结
1、比冲高带来重量大为减轻,节省大量的推进剂:在《NEED FOR SPEED!一切为了速度----齐奥尔科夫斯基开创的多级火箭时代》,我们讲到化学推进剂的比冲,实用的液氢液氧最高也就460秒左右,卫星通常采用的双组元推进剂,比冲在300秒左右,但电推,比冲轻轻松松超过一千。像XIPS-25电推进系统的比冲已经达到了3400秒以上,比冲高带来的好处是显而易见的,相同速度增量的要求,推进剂消耗仅为原先的1/10左右,通信卫星的重量,由之前的5~6吨,一下子可降到2~3吨,发射费用打对折,卫星寿命还只高不低。
2、推力小:和高比冲形成强烈反差的是,电推进器多为几十mN,目前商用最大也就200mN,个别小个子是微牛级别,可以说是润物细无声了。
3、长寿命,必须长寿面:根据M·V=F·T,既然推力小,那就积少成多、长时间工作,电推力器寿命都在几万小时,最高甚至到5万小时左右,从而提供可观的总冲量。电推力器能重复启动。
4、安全性好:除去和卫星共贮箱的电加热式外,其他几款电推推进剂无毒、脾气好,操作安全。
5、太阳能,电推进推力调节方便,达到高的控制精度。
三、电推布局
静止轨道通信卫星恨不得它的脸有一个篮球场那么大,可以让各种馈源和反射天线长的整整齐齐,不用折叠。
图13. 澳大利亚的Sky Muster高通量卫星
澳大利亚的Sky Muster高通量卫星,劳拉空间公司的杰作,6.4吨,第一次带了8个硕大的Ka波段高增益天线,80Gb带宽,“宽带澳洲”战略的双星星座,给澳洲农/牧/岛民带去宽带,下/上行25/5Mbps。可以发现明显的,脸大(方圆12米)
可是运载火箭的整流罩,最大也直径就5米左右,因此各种天线和太阳帆板都可折叠,发射前紧紧的缩在卫星身体四周和头上,满足腰围、体积控制等各方面的要求。
图14.Sky Muster在地面乖巧、紧凑,8副天线反射面和馈源及太阳能板全部折叠
图15.到了天上,Sky Muster完美绽放
可是在太空之后,这个澳大利亚的Sky Muster高通量卫星在太空徐徐展开太阳能帆板,完美绽放8个硕大天线及馈源,完全暴露了她26米长、12米宽、9米高的身板。
发射升空之后,卫星在太空徐徐展开并对准地球。那么远地点发动机、姿态控制发动机或电推发动机装哪里?对,只剩下一个面了,位于卫星的BUTTOM,业内叫—背地板(背着地球那个板,anti nadir face)。执行南北/东西位置保持的电推推进器,四台电推发动机的安装位置朝向地心方向,对准卫星的质心。
这种布局,朝后喷射可改善电推进离子羽流对航天器的污染程度,尤其能降低其对GEO 静止卫星太阳电池帆板的溅射污染。而且电推和南北面的天线挨得比较近,近水楼台先得月,优化整星工艺布局。
图16. 四台电推发动机的安装位置朝向地心方向,对准卫星的质心
在精确计算下,通过四台发动机的协作,完成南北/东西位置保持:
1、推力器1、2提供指向南边的法向力(轨道面垂直方向),推力器3、4提供指向北边的法向力。
2、推力器1、3产生指向东边的切向力(轨道切线方向),提升轨道,使经度向东的漂移率减小;推力器2、4产生指向西边的切向力,降低轨道,使经度向东的漂移率增大。(为什么会是这样安排?这个问题留给读者)
图17.Inmarsat-5 F4卫星,波音BSS-702HP平台,其一侧电推发动机的安装位置,用黄圈标
四、静止轨道通信卫星电推任务应用的3种模式(一)EASY模式:完成卫星平台的南北位置保持(以下简称位保)任务
前面说了,卫星需要进行定期的南北方向的轨道位置保持,每年用于修正倾角的总速度增量大约为50m/s,这是通信卫星在轨最大一笔开销。从20世纪9 0年代末开始,电推进逐渐被商业卫星用于南北位保,而化学推进完成轨道提升。对于南北位保任务,在一天的控制周期内,两个原则:
1、必须在升交点和降交点动手,确保轨道平面和赤道面重合;
2、保持南北两侧推力器的控制量相等:由于推力器在产生南北向的速度增量的同时,也产生地心径向速度增量操作不当会引起偏心率上升。而升降交点的经度相差180°,如果两次点火南北两侧各推力器控制量相等,相互抵消径向速度增量,可避免对轨道偏心率的影响。
图18.执行南北位置保持的工作过程
我国中星十六号/实践十三号于2017年4月12日19:04由长征三号乙火箭从西昌成功发射,兰州物理研究所研制的LIPS-200离子电推进系统在轨成功点火,推力40mN,比冲3000秒,该电推进系统完成的就是卫星的南北位置保持工作。下图用红圈标注的是一侧两台电推的布局。
图19. 我国中星十六号/实践十三号带了4台电推进器执行南北位保
(二)NORMAL模式:在轨位保位+部分轨道转移任务
在南北位保任务的基础上,电推进还执行部分轨道转移的任务,在轨道转移最后阶段做轨道提升。化学推进则相应地更加侧重于完成轨道转移前期的轨道提升。波音公司在波音卫星系统-702HP/MP卫星平台上已经实施了应用XIPS-25离子电推进系统完成最终静止轨道轨道圆化的部分轨道转移任务,其中化学推进把卫星送入近地点约30000 km、远地点约42000 km、倾角0º的中间椭圆轨道,电推进在1.5个月内把卫星送入地球静止轨道。
电推进行部分轨道转移任务还为发射添加双保险:
1、在2001年7月发射的欧洲“阿蒂米斯”(ARTEMIS,欧空局版本的TDRS)卫星上,由于运载上面级故障卫星未能进入预定轨道,用电推进系统经过18个月轨道转移最终到达同步轨道并定点,首次证明了电推进系统修复轨道错误的能力。
2、在2010年8月发射的军用先进极高频-1(AEHF-1)卫星上,发生了卫星双组元化学推进故障,使用2台BPT-4000推力器同时工作,在14个月内完成了几乎全部的轨道转移任务。
(三)HARD模式:位保+轨道转移,需要的只是时间!时间!
此方式下卫星不配置远地点化学发动机,卫星的推进任务主要依赖电推进实现,波音BSS-702SP全电卫星即为典型的此类设计方案!该星的星体结构和设备的总质量为2350kg,氙气加注量可达400公斤,可承载500公斤有效载荷(51路转发器),有效载荷功率为3~8kW,卫星工作寿命15年。该平台采用4台XIPS-25氙离子推力器,单台推力为165mN,比冲为3500秒,功率为4.5千瓦,变轨时2台离子推力器同时工作。
“亚洲广播卫星3A” 就采用了702SP平台,带24个Ku、24个C波段转发器,在2015年3月1日发射,发射重量1954kg,于2015年8月28日前后结束轨道转移和圆化,历时6个月(还提前了一个月)​​​​,该星由此成为全球首颗投入运行的全电推进卫星。如果换作用肼为燃料,GTO变轨+南北/东西位保+动量轮卸载,卫星需要携带近2吨燃料,这颗卫星的发射质量将会是4000kg。发射费用节省达到数千万美元左右。
图20.702SP平台卫星在电推帮助下瘦身成功,SpaceX的猎鹰9一口气能射俩
在2017年10月12日,欧洲制造的首颗全电推通信卫星EUTELSAT 172B经过4个多月的轨道提升,成功定点,只消耗了相当于化学推进剂1/6的工质质量,这是目前全电推卫星定点成功的最快纪录。
图21.EUTELSAT 172B一侧的两个电推进器(带摇臂)
结束语:
电推进器相对于化学推进器具有高比冲、长寿命、能重复启动和高的控制精度等优点,成为目前商业通信卫星提升整体效能的关键举措,未来将成为主流。
不仅如此,电推已经而且将在深空探测、低轨道卫星无拖曳控制和轨道维持、微小卫星姿轨控等应用需求等方面发挥越来越大的作用。

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 楼主| 发表于 2018-10-27 21:31 | 显示全部楼层
看天线,识卫星----漫谈卫星天线(四)
导语:题图是在天上放风筝,还是卫星聚会?一眼望去,太阳能帆板都伸长了腿,大大小小的锅蔚为壮观,其实每个都身价数亿美元,在3.6万公里之遥为人类广播、电视、上网电话辛勤工作!请看本期----在地球静止轨道工作的通信卫星。
二战刚刚结束没多久,英国科幻作家C. Clarke克拉克琢磨着当时最先进的德国火箭如何可以变废为宝?他研究出地球静止轨道卫星的工作原理,他认为只用三颗地球静止卫星即可提供完整的全球覆盖。1945年10月他在《无线电世界(Wireless World)》上发表了一篇文章——《地球外的中继——卫星能给出全球范围的无线电覆盖吗?(Extra-Terrestrial Relays– Can Rocket Stations Give Worldwide Radio Coverage?)》,第一次完整提出了“对地静止卫星”的概念,即航天器运行方向和周期与地球自转相同,都为24小时,因此位于天空上方,相对于地面静止,克拉克计算出所需的轨道特性以及发射机的功率水平,并大胆预测了可以使用太阳能发电,超越了他所在的年代。
图1. 两颗在GEO轨道上的卫星
严格来讲,地球静止轨道(GEO,Geostationary orbit)是指地球同步定点轨道, 即轨道周期与地球旋转周期相同、轨道平面与地球赤道平面重合、倾角为0度的圆轨道。地球旋转周期为一恒星日=23小时56分秒4.1秒, 静止轨道至地心距离为42163.174+1公里, 相对赤道高度为35786.034公里,一般简称3.6万公里。
在地上看来,地球静止轨道(GEO,Geostationary orbit)上的卫星,就像被定住,一动不动,对于卫星接收天线来说最方便,省去摇头晃脑、旋转跟踪工作,非常适合天地通信。而在这个轨道工作的卫星,由于对准了地球的某一个区域,可持续观察,也非常适合进行可见光和近红外光观测的气象卫星、海洋监测。
一、辛康(Syncom)静星,头回吃到GEO通信的甜头
休斯飞机公司的三位工程师(Harold Rosen,Thomas Hudspeth和Donald Williams)于1959年初开始研究地球同步卫星的概念,提出了一种可行的地球同步卫星设计,三个人艰难的说服休斯公司、NASA和国防部,甚至自己掏腰包贴了一万美元搞工程样机,这在当时可是一笔巨款。功夫不负有心人,在一番努力下,1961年8月,美国宇航局与休斯飞机公司签订了第一个地球同步通信卫星合同,该卫星称为Syncom。
图2.休斯Harold Rosen博士(右)和Thomas Hudspeth在62年巴黎航展展示Syncom卫星原型
(一)麻雀虽小、五脏俱全
Syncom系列通信卫星呈圆柱形,直径为71厘米,高度为39厘米,含推进器质量为68千克,和现在动辄数吨的通信卫星相比,仅为一个零头。麻雀虽小且其貌不扬,但五脏俱全!
卫星底部的远地点发动机为固体火箭,推力1000磅力,可提供1431米/秒的速度增量,用来轨道圆化和消倾角,由Thiokol公司(瑟奥科尔公司)生产。
图3.剥去体装式太阳能发电贴片后的Syncom
为了在天上能保证姿态稳定,创新提出类似陀螺的自旋稳定概念。不过这样一来天线也会跟着转,由此设计了简单可靠的全向辐射天线,也就是卫星顶部枪管一样的物体,叫做同轴缝隙阵列通信天线(Co-axial slotted array antenna),也有文献成之为裙边圆环缝隙偶极子(skirted collinear slot dipoles)。其实他和第一篇《看天线,识卫星----漫谈卫星天线(一)》讲到的半波阵子天线非常类似。其天线方向图就是一个甜甜圈,特别适用于这颗轻巧的自旋稳定验证卫星。如果让卫星的旋转(枪管射击方向)与地球的旋转轴(南北极)平行并保持,就能让地面获得最大的辐射场强。
图4.“枪管”并没有指向地球,而是和地球自转轴平行,甜甜圈仅有少量信号用于覆盖地球
天线共有三个同轴的裙边偶极子阵列发射下行信号,注意看下图天线中部三个开口,由环形波导馈电,波束宽度23度,由于频率越高衰减就明显,为了考虑给卫星省点事,下行信号频率选择较低的1.815GHz;下图天线结构的右侧单个带裙边的接收偶极子工作在相对较高的7.360GHz(地面卫星站供电充裕,工作频率高点问题不大),通过圆环缝隙偶极子天线的接收增益为2 dB。
图5. 天线由铝、玻璃纤维制成,表面喷涂特氟隆,重2千克(NASA老图有些模糊)
负责把卫星接收到的微弱信号放大并发射,需要转发器。Syncom携带了两个转发器,一个窄带,提供了两个500 kHz信道,可以处理一个双向电话或16个单向电传信道;另一个宽带转发器,提供了5 MHz信道用于电视传输。两个转发器使用2瓦行波管放大器进行信号放大。
在卫星尾巴上,还有四根和旋转轴成25度夹角的鞭状天线用于遥测和指令(TT&C)。四根鞭状1/4波长长的天线,也就是第一篇讲到的旋转场天线(turnstile antenna),通过圆极化波进行卫星指令上传下达,而无需考虑天线面是否对齐。
图6.艺术家笔下的Syncom系列卫星
Syncom的外表面覆盖着3840硅太阳能电池贴片,发电功率29瓦,星载镍镉电池用于地影期间的供电。在姿态控制上,双氧水催化反应进行姿态控制虽然高效,但缺少使用经验,该卫星采用了双氧水/氮气两套推进器提供姿态控制。
(二)令人满意的测试结果
Syncom 1于1963年2月14日在卡纳维拉尔角用Thor Delta B火箭成功发射,不幸因电气故障失联。失败乃成功之母,不行再来!
Syncom 2于1963年7月26日从卡纳维拉尔角成功发射!为了把卫星送到3.6万公里高度,对60年代初期步履蹒跚起步的美国运载火箭来说压力山大,由于Thor Delta B运载火箭的运力限制,Syncom 2卫星虽然被送入了一个地球同步轨道,但卫星轨道面存在33度的倾角,从地球看,这个卫星在天上跳8字舞,并非静止!
不过由于天线的波束较宽,没有影响到电话、电视直播等测试。1963年8月16日Syncom 2开始正式运行,测试非常成功,圆满达到了预期的目标!
1963年8月23日,总统约翰·肯尼迪通过Syncom 2,给尼日利亚总理阿巴巴卡尔·巴莱瓦(Abubakar Tafawa Balewa)打了一个电话,虽然只是象征性的两分钟唠唠嗑,简要提到了当年签署的核武器试验禁令条约,并谈到尼日利亚中量级拳击手迪克·泰格赢得了一场拳赛,但这是国家元首之间的第一次通过卫星进行双向通话。
图7. 约翰·肯尼迪聊的挺开心
图8. Syncom 2还直播了一场华盛顿和洛杉矶对阵的棒球赛
(三)助力东京奥运会
再此基础上,Syncom 3于1964年8月19日发射,此次发射采用Thor Delta D火箭,推力更大的第三级火箭进行偏航机动,GTO轨道倾角下降到16度,随后卫星在远地点发力消除了剩余倾角,并正式进入35,670 km x 35,908 km的圆形同步轨道,并在180度经度定点。Syncom 3继续用于各种通信测试,远在菲律宾的美军USNS Kingsport卫星通信船通过该卫星和加州罗伯茨营起飞的飞机进行越洋通信传输。被载入史册的还有Syncom 3向美国直播1964年的东京夏季奥运会。
图9. Syncom 3向美国直播1964年的东京夏季奥运会
相比较美国海军和空军科学家利用月球进行远距离通信,麻省理工学院林肯实验室在太空“放针”的西福特计划,以及NASA利用气球卫星、低轨卫星(Telstar)进行通信实验,Syncom 2和3成功验证了GEO通信的技术,显示出巨大的优越性!在海底光缆还没有使用前,开辟了洲际通信的崭新篇章!后续地球静止轨道卫星继往开来,家族日益庞大!
关于第一颗静止轨道卫星,不妨看看@纪录片之家 的视频科普(片长5分11秒)。





​二、开公司,GEO通信生意做大,定向天线首次实用
美国成功地发射了世界上第一颗地球静止轨道通信卫星,同时标志着当今庞大的全球通信市场的到来。1962年的美国通信卫星法对国际卫星通信产生了深远的影响,通信卫星公司(COMSAT)在该法案要求下成立,它受美国政府监管,是一个私人融资和管理的组织。美国总统约翰·肯尼迪的倡议成立国际卫星联盟,他说:“我邀请所有国家参与通信卫星系统以促进世界和平世界各国人民之间的兄弟情谊。”
1964年8月,国际电信卫星联盟(Intelsat,International Telecommunications Satellite Consortium)在COMSAT协助下成立,它是第一个提供全球卫星覆盖和连接的组织,作为卫星通信能力的商业合作和批发商,Intelsat向其入会成员国的提供服务。不过目前的Intelsat私有化,也引发了频率帝国主义纷争。
拥有Intelsat 61%的股份的COMSAT负责其卫星的选型,它选择了放大版的Syncom卫星,作为Intelsat的第一颗商用通信卫星,这颗卫星被称为早鸟(Intelsat I), 于1965年4月6日由Delta D火箭发射,早鸟发射重量为149千克。
图10. 早鸟商业通信卫星是Syncom放大版本
该卫星提供了240路跨大西洋电话,而价格仅为海底电缆的十分之一。到1967年,第一代Intelsat卫星中的三颗卫星在大西洋和太平洋海域上空运行,提供清晰、价格亲民的越洋电话和电视,民众也迅速适应了250毫秒的时延,“早鸟”取得了巨大的商业成功!
图11.给奥地利亲戚打个电话说要去串门!----卫星越洋电话走入寻常百姓家
图12.GEO通信对使用感知最大的影响是时延
工作在C波段的GEO卫星,其下行信号(3.4 GHz-4.2 GHz)的链路衰减通常在200 dB左右,要求发射机的功率更大、天线波束更窄!它的天线基本和Syncom类似,发射单元增加到6个缝隙,波束宽度约束到20度,天线增益达到9 dB。接收单元为3组3叶草形振子,天线增益由之前0.5大幅增加到4 dB
图13.早鸟的天线基本和Syncom类似
更多的太阳能电池提供了45瓦的电力供应,比Syncom的29瓦增加不少。两个6瓦转发器工作在C波段(6GHz上行链路 - 4GHz下行链路),每个具有50Mhz带宽,可以承载240个语音电路或一个电视频道,但不能同时进行。
不过这些小修小改,以及后续换汤不换药的Intelsat II远远不能满足民众对于卫星通信容量的需求。
图14. 换汤不换药的Intelsat II全向天线和为数不多的转发器,跟不上民众对于卫星通信
Intelsat试图最大限度优化卫星参数,包括辐射方式和功率、可用带宽、容量和寿命。1966年,Intelsat与TRW公司签订了一份价值3200万美元的合同,用于制造六颗Intelsat III卫星。
293公斤重量的Intelsat III是Intelsat 1的两倍,但其容量增加了4倍,是第一颗专门设计用于商业盈利的卫星。并结合了多项性能改进。其中最重要的革新是使用高增益天线的技术。
如图4所示,为了自旋稳定,卫星不得已使用全向天线,以便在卫星体旋转时保持与地球的通信,因此卫星的大部分射频功率都被浪费在太空!这对于卫星和地面接收站都不是最佳选择,天线还需要改进,要把能量聚焦!
工程师首先采用了电磁喇叭电线。他的主要优点是结构简单,馈电简便,便于控制主面波束宽度和增益,频率特性好且损耗较小,他由波导逐渐张开形成,加强了方向性,这个和声学喇叭的原理极为相似。
图15.典型的角锥喇叭
Intelsat III使用了一个86厘米高的消旋定向喇叭天线,增益为15.6 dB,取代了之前9 dB增益的缝隙偶极子天线,增加了有效辐射功率。
其次为了使这种高增益定向天线始终保持指向地球的固定方向,采用了消旋技术,Intelsat III是第一个解决这个问题的通信卫星!虽然星体通过高速自旋保持姿态,但通过使用电机对天线进行反向旋转,使用于反射的铝制蜂窝板始终对准地球。同步开发了特殊的润滑剂和润滑技术,避免润滑剂在零G真空空间中冻结或蒸发造成的轴承卡死。
图16.使用电动机消旋,用于反射角锥喇叭的平板天线始终对准地球
Intelsat III的总可用带宽增加到450 MHz,由两个225 MHz带宽的转发器提供。消旋天线和6瓦行波管(TWT)放大器联袂,为每个转发器产生+22 dBW(158 W)的等效辐射功率,信噪比的提升让单颗卫星可承载1200路双向电话或4个电视频道。另外Intelsat III第一次使用肼推进剂进行位置保持,延长使用寿命到5年。
图17. Intelsat III第一次使用了喇叭加平板反射面的高增益定向天线
第一颗Intelsat III于1968年9月18日由更强大的Delta M发射,由于制导系统出现故障,运载火箭被自毁。第二次发射于1968年12月18日进行,成功定点在西经31°横跨大西洋的地方。另外三颗Intelsat III卫星定点在东经174°(太平洋)(已在轨道上),西经6°(大西洋)和东经62.5°(印度)。从而完成第一个全球系统。这个由四颗卫星组成的系统最多可以处理4800个双向电话电路或16个电视传输。
三、为了跟上业务需求,开始上锅
洲际通信的需求是如此旺盛,Intelsat测算了一下到1971年现有的4颗Intelsat III将不能满足大西洋和太平洋的使用需求,而且任何卫星发生故障,系统将陷入严重困境。老板很焦虑,老板很着急!
图18.Intelsat公司对69年之后的5年业务发展测算表
Intelsat决定发展新第四代名为Intelsat IV的卫星,由于运载火箭技术的提升,有了半人马上面级,设计质量达到1414 千克,入轨质量可以达到790千克,是三代的5倍多。这份生产四颗大容量卫星、价值7200万美元合同给了休斯公司,要求1971年初(大西洋和太平洋地区)发射前两次,满足电话需求。第三颗卫星于1972年定点在印度洋上(在Intelsat III寿命结束时),第四颗卫星作为备用。
图19.和前三代相比,Intelsat IV 确实是“大型”,容量也大了许多
前述Intelsat III卫星其实有一个系统性短板,受功率、重量限制,转发器只有两个,众多地面站上传信号时要排队,排队的时候,还不能发出大功率的同频信号干扰别的地面站,协同性搞不好,系统效率低。解决的方案其实很简单,把可用带宽划分为许多小转发器频段,给每个地球站分配专用转发器,或者几个需求小的地面站搭伙。系统采用12个转发器,40 MHz的带宽(剔除保护带宽,实际可用36MHz),行波管功率为8瓦,每个转发器可处理1800个电话或一个电视频道,Intelsat IV的最大容量达到万级双向电话或12个电视频道。
这其实是上下行信道频分复用(FDM,Frequency Division Multiplexing)的做法,原理简单,关键是实现的时候受到运载火箭GTO轨道投送能力,以及卫星平台的电源供给能力、行波管效能、重量等因素共同制约。
增加转发器,这就需要增加系统在供电等整体开销,而新的HS-312平台完全可以满足,设计寿命为7年。
图20. Intelsat IV带了两个高增益锅,背后4个黑黑的的是消旋定向天线,最高的是TT&C
Intelsat IV还应用了陀螺仪旋转稳定技术,使双自旋稳定卫星技术趋于成熟,从上图还可以看到,消旋平台上除4个黑黑的定向天线(两收两发)外,Intelsat IV还第一次带锅上天了,也就是高增益天线,意大利Selenia SpA公司生产,两个波束极窄的4.5°的点波束,可以摆动调整波束,应对美国东部或西欧局部高业务热点,全向辐射功率增加15倍。
图21.馈源发射的波束经过抛物面天线反射之后波束收敛
四、频率瓶颈,见招拆招
洲际通信业务仍然在飞速增长,尤其是大西洋两岸高密集区域,如何应对?事实上,对于Intelsat公司来说,每一次都是依靠天线技术的革新,使得卫星及其地面站能够承载更多的业务量。在Intelsat IV基础上,休斯公司建造了六颗改进型号被称为Intelsat IV A的卫星,较Intelsat IV增加了8个转发器达到20个,可用频率带宽达到720MHz;Intelsat IV-A体表贴了1.7万个太阳能电池贴片,功率600瓦。但与其前身Intelsat IV相比,主要差异在于采用了新的天线技术,通过点波束实现频率充分使用,可提供大约两倍的容量。
具体在实现上,以下图为例,左边是本分做法,循规蹈矩,3个频点各用一次,老老实实,而右边,在点波束旁瓣控制到一定门限前提下,J波束在I波束和K波束左下角又用了一次,高!脑补一下已经求证的地图四色问题,如果有四种以上频率或不同的极化方式,频率可以实现“无限”复用,这种就叫做空分复用技术。
图22.空分复用,让频率资源“无限”复用
INTELSAT IV-A最顶上的黑头是遥测天线,下面品字形三块抛物面反射天线,最上面的是接收天线,底下两个是由37个阵列单元馈电的两个方形C波段抛物面反射天线,面积1.2×1.3米,天线重51千克。
图23. 品字形三块抛物面反射天线,馈源用红圈标明
需要注意的是,这次的抛物面天线是偏置形式,前述Intelsat IV的馈源挡着天线了,而采用偏置形式,可以无遮挡。
图24.偏置反射面天线,馈源无遮挡
20个转发器的具体使用,以大西洋上的Intelsat IV-A为例,4个转发器覆盖业务密度稀疏的大西洋,其余16个转发器用于点波束模式;左右两个反射天线,左边负责南北美洲,右边负责欧洲和非洲,由于两个定向天线相互错开一定角度,相互不干扰,可以实现同一套频率两边分开使用,因此容量基本已经翻翻!而且点波束也明显提高了覆盖的辐射功率。
Intelsat IV-A系列中的第一颗卫星于1975年9月25日由Atlas-SLV3D/Centaur-D1AR从卡角发射升空,一共发射6颗,其中一颗由于运载火箭问题失败。所有五颗卫星平均运营11年,超运行寿命4年。
五、这回是电不够用了
同期射频放大器件技术也有了突破,出现了效率更高的固态功率放大器(SSPA)或线性化行波管放大器(LTWTA),使这些卫星能够携带更多的转发器上天。但是再要多,可能就不行了,因为采用自旋稳定的卫星,太阳有效照射的电池贴片不超过三分之一,其余三分之二只能闲着,也不可能无限制让卫星变胖变长好多贴点太阳能电池贴片。再一个,消旋平台上已经像插花一样装满了天线,难以容纳更大反射面的天线。
让卫星在轨道保持一定的姿态,并不是只有自旋稳定着一种,还有通过内部旋转的惯性轮保持稳定的方案,Intelsat认为这种方法对于紧迫的商业运营需求而言存在太多技术风险,继续使用保守的自旋稳定。
然而幕后的操盘手,NASA早就在卫星前沿新技术开展验证试验,项目名称叫做ATS(Applications Technology Satellite),应用技术卫星,该项目不仅仅测试通信技术,还对地球同步轨道气象传感元件的开发、同步轨道空间环境测量等项目开展研究。在多次失败的重力梯度杆试验后,ATS-6任务对于后续地球静止轨道的众多新技术开展了极为重要的测试,大型可展开天线、3轴稳定姿态控制、电力推进等,成为目前仍在地球静止航天器上使用的许多技术的先锋!
ATS-6卫星设计非常前卫,那怕在当今星迷看来也是石破天惊!
图25. 长长的衍架挑起两个弧形太阳能帆板,中间是硕大的抛物面天线
(一)ATS-6是第一颗具有三轴稳定能力的地球静止轨道卫星
ATS-6的主要进步是其三轴稳定(3-axis stabilization)系统,陀螺仪控制的三轴稳定性将卫星转变为一个稳定的固定平台,不再需要旋转,这种技术使许多新应用成为可能。三轴稳定的优势主要体现在:
1、使用了自旋稳定装置的卫星,由于旋转,体装式太阳能电池阵列的做不大,发电效率低,无法提供更多的电能;而三轴稳定的卫星平台可以部署更大的平面太阳能电池阵列,通过控制太阳能电池板的方向与太阳辐射垂直,获得高效的太阳能发电。高功率的卫星平台可以让通信卫星携带更多、功率更大的转发器,地面上用更小的天线和灵敏度更低的接收机接收,天线甚至缩小到几十公分,实现家庭卫星直播观看。
三轴稳定卫星的一个缺点是它受到不均匀的太阳光能加热,朝阳侧极高温,背阳侧极冷,在空间真空中,这种温差非常高,但自旋卫星均匀受热和辐射热量,不会遇到这个问题。为了解决这个问题,ATS-6采用了热管和相变材料来均衡卫星体上的温度分布。
2、大型高增益定向天线现在可以取代以前自旋稳定卫星所需的全向天线或复杂的消旋平台天线,将波束准确聚焦到地球上,增加了卫星的有效辐射功率,从而节省能源和复杂性。
3、它提供了更准确的姿态控制第一次使用星载姿态控制数字计算机驱动执行器,执行器是三个动量轮和单推肼推进器,执行后确保滚转和俯仰精度优于0.2度,实现了精确的位置保持和指向。精确传感和三轴姿态控制的结合使得ATS-6成为第一颗能够回转俯视跟踪其他S波段卫星的卫星,使用其GEO的有利位置,ATS-6可以为LEO卫星甚至飞机实现数据中继,这是美国宇航局跟踪和数据中继卫星(TDRSS)计划的先驱,此举可以大幅减少地面站的工作压力。
(二)缠绕肋(WRAP-RIB)大型可展开天线测试
ATS-6的另一个创新是直径9.14米的缠绕肋大型可展开天线测试。为了简化大型可展开天线的结构和展开机构,提高收纳率,JPL与洛克希德公司于20世纪70年代联合研制了这款缠绕肋可展开天线。
图26. 壮观的9.14米直径缠绕肋大型可展开天线
该天线反射器主要由中心轮毂、48个铝制肋条、反射面网组成,反射面网采用了镀铜的编织涤纶,仅重83千克,收纳率很大。类似卷尺,中心轮毂把铝制肋条卷紧缠绕,收起后缩成直径仅为1.8米直径,高0.45米的环形空间。
图27.“伞骨”就像卷尺一样,被收紧缠在一起,到空间展开,绷紧“伞面”
    在空间展开时,由火工品切断缆线,3400NM扭矩的电机拉动铝制肋条背后的带子展开天线,部署时间约为2.5秒。不足之处是铝制肋条在空间受热之后变形,整个天线形面精度较低(0.5毫米),刚度也较低,不过展开可靠性高。
图28.RedRipper24提供的ATS-6天线反射面,像豆荚壳的铝制肋条展开有一定刚度但形变大
口径为9.14米抛物面天线反射器在UHF至C波段范围内提供34 dB46 dB的增益,再加上高功率的80瓦固态射频放大器在860 MHz的频率发射,它提供了直接电视广播的能力,等效全向辐射功率(EIRP)峰值达到51.0 dBW,地面仅需3米直径的小型天线接收。
天线馈电(C,S,L,UHF和VHF频段)单元安装在在航天器主体上,整个航天器主体通过碳纤维增强塑料(CFRP)桁架连接到天线和太阳能电池板桅杆。
图29.太阳能电池板的设计基本就是劈开的一个辛康卫星
太阳能电池板安装在两个可展开的桅杆上。它们具有半圆柱形状,因此提供相对恒定的功率(开始为595 W),在地影期间两个30.5V、15安时镍镉电池负责供电。
尽管采用了复合材料等先进技术,但整个卫星大量桁架、展开机构给人的感觉还是弱不禁风,可展开天线又金贵,设计师也没往星体里面塞远地点发动机,而是靠大力神/半人马金牌组合!
(三)直送GEO,圆满完成任务,扫清技术障碍
1974年5月30日,Titan III-C运载火箭ATS-6这颗重达1336公斤,当时最重的地球静止轨道通信卫星,直接送到GEO轨道(direact to GEO)!!! ATS-6也不负众望,在轨道上徐徐展开天线投入工作,圆满!
图30.轨道上卫星顺利展开,尺寸为15.8米宽,8.2米高
除了铯离子电推发动机测试表现不太好外,ATS-6还进行了23次不同的实验,通过向印度、美国和其他国家传送远程教育节目,证明了直接到户(DTH)电视广播的可行性。
图31. 印度农村使用一个UHF天线接受远程教育
其他测试包括监测空间环境,并用于进行粒子物理实验和测量辐射对太阳能电池寿命的影响;携带高分辨率热辐射扫描测量计(辐射计),在红外线(10.5至12.5μm)和可见光(0.55至0.75μm)扫描地球,测量其红外辐射(温度)和云图,这些技术随后被使用在气象卫星上。ATS-6还被用于进行空中交通管制测试和实施卫星辅助搜索和救援技术,并于1975年在阿波罗/联盟对接中发挥了重要作用,负责将信号回传给休斯顿控制中心。1979年8月3日该卫星寿终正寝。
ATS-6也可能是导师(Mentor,中情局用于截获电子情报)等第四代大型电子侦察卫星的先驱。Mentor是卫星是美国中央情报局的地球静止轨道电子侦察卫星,用于截获电子情报。在常年值守的电子侦察中,静止轨道电子侦察卫星有更多的优势。因为卫星轨道越高,在地面的覆盖面就越宽,不易错失良机,所以,美国很重视发展这种卫星。
由于其所接收的地面信号是低轨道卫星的1/ 5100 ,故需采用大型接收天线,口径约为150米,卫星质量4-6吨,定位在西太平洋、印度洋上空,能够用于侦收100MHz-20GHz之间的所有电磁信号。其实只要悟通ATS-6“卷尺”式的伞肋收纳大发,就会明白Mentor150多米直径“大伞”的展开原理也很简单!
图32. Charles P. Vick画的导师(Mentor)第四代大型电子侦察卫星猜测图
ATS-6也是最后一次ATS任务,一些国会议员担心NASA开发技术造福私营的COMSAT,国会于1973年以削减预算名义取消了ATS项目,让商业通信卫星行业自行承担研发开销,这标志着NASA实验通信卫星计划暂时性告一段落。
私营企业支持一些具有短期(例如几年)商业成功潜力的项目是可行的。然而,私营企业无法支持风险更高,潜力更高的发展,这需要大约十年才能带来商业用途。正因为如此,以及来自多方面的呼吁,NASA在1978年恢复了对卫星通信技术研发的支持。这个案例非常值得思考,目前中国的航天操盘手、国家队、民营航天公司如何各司其职?
六、ATS-6指明发展方向,GEO奇形怪状天线百花齐放
在ATS-6验证上述技术的可行性之后,三轴稳定+大功率星载电源+大型空间可展开天线技术彻底释放了各类应用需求!各种类型的静止轨道卫星如雨后春笋出现!他们的天线也是最吸引眼球!
(一)最快的受益者----Intelsat
Intelsat找福特空间及通信有限公司(即现在如日中天的劳拉空间系统公司,SSL)制造了第五代卫星----Intelsat V,这是通过采用ATS-6卫星首创的动量轮实现三轴稳定的卫星,姿态稳定在0.5度以内,也是第一颗商业直播电视卫星,1980年12月发射升空,发射质量1928千克,入轨质量967千克。
图33. 采用ATS-6卫星首创的动量轮实现三轴稳定的Intelsat V
卫星主体为1.65米x 2.01米 x 1.7米的长方体,在太空站稳了的卫星,从容的往南北伸出两块硕大的太阳能帆板,单块长7米,宽1.7米,由三块互相铰接,总面积是18.12平米,覆盖17580片太阳能电池,整个太阳能帆板的重量仅为64.1公斤,共提供1800瓦功率,是上代的3倍!这为高灵敏度接收机、大功率发射器、射频变频器的按需配置打好了基础,合计配置21个C波段和4个Ku波段转发器,提供12000路语音电话和2个电视频道。尤其是大功率行波管放大器,配合上图中2.44米直径(最大那个)的多波束高增益天线发射4GHz频段信号,让小锅看直播成为可能。
另外值得注意的是Intelsat V采用几个新的技术:
1、在原有拥挤不堪的4/6GHz(下行/上行频段,下同)的C波段频段外,使用了新的11/14GHz的Ku频段;
2、除空间分隔的频率复用之外,启用线极化的水平/垂直极化或者圆极化的左/右旋极化分隔技术;
3、应用“卫星转换时分多址”联接技术(SS/TDMA),这与空间分隔和极化分隔一起使用,进一步提升4/6GHz的频谱复用。
4、大规模使用点波束合成,形成特定的覆盖足迹覆盖指定的区域,如某国版图。不过这里也提一下,多馈源赋形技术,馈电损耗大和馈源复杂度,后续也有C波段和Ku波段采用单馈源收发共用偏置赋形反射面天线,可以说是用大量算法高科技制作的“哈哈镜”来化繁为简解决问题。因此如果见到天线表面坑坑洼洼,崎岖不平,千万别认为这是做工粗糙马虎。
图34. 偏置赋形双反射面天线的制作过程
Intelsat V配置成为许多后续卫星设计采用的模板,也就是题图浩浩荡荡的一长溜撞衫卫星的由来。也有读者说在Intelsat VI卫星上为什么又选择了休斯公司自旋稳定的方案呢?这其实并不是说三轴稳定不好,而是休斯公司投标时报了一个低价,再加上一些创新,比如用航天飞机宽大的货舱放大了卫星直径到3.6米,采用望远镜筒式的伸缩壳体,让太阳能发电能力增加了不少,然而这仅仅是回光返照,技术领先优势不是商业策略可以阻挡。Intelsat VI是休斯公司最后一款自旋稳定卫星,其研发的HS-702三轴稳定平台在被波音收购后收到大量订单。
图35. Intelsat VI是休斯最后一款自旋稳定卫星,研发的HS-702三轴稳定平台大获成功
(二)伞状天线成就NASA赚钱的项目—TDRS
前述ATS-6在GEO轨道居高临下,俯视地球,能够方便的在中低轨道卫星、空间站、飞机与地面站接收站之间的搭建桥梁,取代配置在世界各地由许多测控站构成的航天测控网!
跟踪与数据中继卫星,TDRS(Tracking and Data Relay Satellite)由此营运而生,由NASA负责运营,军民两用!第一颗TDRS卫星在1983年4月4日由挑战者号航天飞机发射升空,卫星重2吨多,太阳能电池帆板展开后翼展达到17.4米!在7副天线中,最醒目的是两把直径4.9米的“大伞”,也就是工作于S、C、Ku波段可转向收发天线的反射面!
图36. 发现号发射的TDRS-3作为备用星,高倾角,也用于美国南极站的中继通信
美国Harris公司为NASA的TDRS卫星制造刚性肋可展开天线,为典型的卡塞格伦天线。肋条改为碳纤维增强塑料(CFPR),热形变较小,其主反射面采用直径0.03毫米的镀金钼丝编织成网,可以在100 GHz频率以下工作,结构简单,展开可靠性较高,质量仅为24千克,但收纳率较小,收拢直径0.9米、高度2.7米,且伞面绷直了非抛物面形,形面精度较低(0.56ram),结构内应力分布不够均匀。
图37.这幅天线是典型的卡塞格论天线。
图38. 直径0.03毫米的镀金钼丝编织成网
图39.在地面还是大件,收拢后却小巧玲珑、含苞欲放,航天飞机货舱都嫌太大了
    针对刚性肋伞形面精度较低的问题,TDRS发展到第二、三代的时候,又采用了柔性自回弹天线(SPRING-BACK ANTENNA)。柔性自回弹天线采用具有一定柔性和一定自回弹性能的薄膜材料形成天线反射面。由于不需要复杂的展开机构,其重量得以大幅度减小,可靠性得以大幅度提高。由于结构具有一定的刚性,反射器的形面精度也比网状天线更容易得到保证。但缺点是收纳率低,适用于口径小于6 米的天线。同时由于采用了更高的Ka星间波段,最大接受传输速率达到了800Mbps。
图40.第三代TDRS的柔性自回弹肋伞,其型面精度比较容易得到保证
(三)越来越密的高通量卫星天线波束
随着互联网的粘性增强,卫星通信开始作为传统接入网络(光纤接入、3G/4G无线)的有效补充,尤其在幅员广阔的国家以及空中航线上。2005年开始,以Ku波段应用为主的第一个高通量通信卫星(HTS,High Throughput Satellite)发射浪潮开始,现在第四代最大的VIASAT-2已经做到了300Gbps吞吐量(天线故障,容量可能要打8折),主力均为运行在GEO轨道的高通量通信卫星。
图41.基于采用劳拉LS-3000平台的VIASAT-1通信卫星在紧缩场测试,天线直径普遍超2.5米
高通量通信卫星,虽然样子普普通通,主要是“招风耳”造型。由于在L、S、C、X、Ku波段上已经拥挤不堪,而高通量卫星的载波动不动就是500MHz的频宽,因此她迫不得已在频段高、雨衰严重,但大段频率资源相对富裕的K/Ka波段工作。
图42.仅有K/Ka波段还有大段的频率资源空闲
更高的频段使得下行和上行的衰耗更大,高通量卫星采用更高增益的天线,而且为了频率复用,她把多点波束技术发展到极限!波束极窄,小于0.1度的也已出现,点波束数量变多,如140Gbps吞吐量的ViaSat-1仅有72个点波束,300Gbps的ViaSat-2已经达到数百个,而1T容量ViaSat-3将有数千个点波束。因此HTS可提供比常规通信卫星高出数倍甚至数十倍的容量,能够支持超过100 Gbps的总容量!
图43.为了实现高吞吐量,点波束覆盖面积越小,数量越多,VIASAT3会达到数千个
高通量通信卫星的天线反射面,普遍在100英寸以上,其技术难关有:第一要求轻量化,第二要求在极端高低温变化下,热膨胀系数小。一般采用复合材料的三明治结构,上下外层采用碳纤维增强塑料,作为射频反射材料,中间的中空蜂窝层由铝、碳纤维、凯芙拉或Nomex等材料按需制成,三层材料最后胶合,目前最好已经做到1公斤/平方米上下的水平。
图44.上天的抛物面天线采用了复合材料的“三明治”结构
而在点波束馈源的发展方向上,多口面多波束天线馈源笨重而复杂,未来会向MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuits,单片微波集成电路)直接辐射相控阵天线方向发展,基于MMIC的有源收发模块天线馈电是未来HTS的经济而高效的输出端解决方案。
图45.现有多口面多波束天线的波束馈源笨重而复杂
(四)没有最大,只有更大----环形可展开天线
在上世纪90年代,大哥大,行动电话,移动手机兴起,随着摩托罗拉铱星的示范效应,众多的电信运营商渴望能分一杯卫星移动电话的的羹!因为在偏远的山区、海岛、还有广阔的市场有待挖掘。对于区域运营商来说,选择静止轨道通信卫星,有针对性覆盖人口稠密、基础设施尚不完善的区域,投入相对较少,市场前景好。
亚洲蜂窝卫星( ACeS)系统是由印度尼西亚等国家建立起来的区域性个人卫星移动通信系统,覆盖东亚、东南亚和南亚地区30亿人口,是世界上第一颗面向个人、支持手机的区域性地球静止轨道移动通信卫星,基于GSM技术提供语音、传真、数据等通信服务。ACeS 系统利用一颗Garuda 1卫星,又名“鹰1”,于2000年2月12日发射,由美国洛克希德马丁公司采用A2100平台制造。
不过要让发射功率也就1瓦的手机,和远在静止轨道的卫星通信,难度可想而知。Garuda 星上装有两副12米直径的L波段收发大天线,每副天线有88个馈源,生成140个点波束,其等效全向辐射功率强度高达73 dBW。该星可同时提供11 000条电话信道,用户总容量可达200万,可在星上进行话路和路由的交换。由于L波段系统故障,系统容量打了7折。
图46. Garuda 1卫星,世界上第一颗面向个人、支持手机的地球静止轨道移动通信卫星
由于Garuda 1的卫星天线反射面太贴近生活中的三折雨伞,如何展开请读者琢磨琢磨。我们换到世界上第二颗支持手机的地球静止轨道移动通信卫星----图拉雅(Thuraya)卫星,介绍环形展开天线。
Thuraya卫星通信公司总部设在阿联酋阿布扎比,Thuraya系统的卫星网络覆盖包括欧洲 、北非、中非、南非大部、中东、中亚、南亚等 110个国家和地区, 约涵盖全球 1/3 的区域 , 可以为23亿人口提供基于GSM技术提供语音、传真、数据等通信服务,不过终端整合了卫星、GSM 、GPS 3 种功能。Thuraya1/2/3卫星分别于2000年10月20日、2003年6月10日、2008 年1月15日发射,为美国波音卫星系统公司基于HS-702平台制造。
图47.目前 Thuraya2/3仍在运行中
Thuraya 卫星发射重量5250 kg,在轨重量3200kg,太阳能电池提供 11~13 kW的功率,星上载有12.25 m口径卫星天线反射面,产生 250~300 个波束,频率复用30次。
图片上传失败!点击重试图48. Thuraya 卫星载有12.25 m口径卫星天线反射面
Thuraya采用了TRW的Astro Aerospace公司(现为Northrop Grumman旗下)的环形可展开天线技术产品,该技术出现较晚,采用环形桁架展开结构和柔性网面成形技术,重量为56千克,或者0.37千克/平方米。
图49. 环形可展开天线的结构图
为使桁架能够折叠,在桁架的各杆件中间都设有铰链,利用弹簧机构将天线展开,其特点是可以单独完成每一个单元的调试后再进行总装配,大大降低了装配和测试的难度。与其它结构形式相比,具有较高的展开刚度和结构稳定性,天线口径可用于6 米~150米范围,且结构形式简明,在一定范围内口径增大不改变结构形式,质量也不会成比例增长,是目前大型卫星天线理想的结构形式。
展开过程的关键是下图中我用红色标注的对角支撑杆,在弹簧驱使下,他的收缩会让原本为平行四边形的桁架框变成长方形,整个天线圈面桁架都膨胀变圆,反射面的弧形在竖向拉索的控制下,达到设计的曲面!
图50.环形可展开天线的展开过程
    12米、17米、20米口径的环形可展开天线已经在“MBSAT”、“INMARSAT”“ TerreStar-1”等系列卫星上得到应用。美国军方当然不会放弃这样的技术,NRO的入侵者系列就采用了此类环形可展开天线技术,据说直径也达到150米。不过,这里要说明的是,根据2016年9月9日公布斯诺登文件,前述“导师”电子侦察卫星,MENTOR 4(USA-202),同在地球静止轨道,故意和Thuraya2凑的很近,却伺机截取、窃听往来的电话,你拿他一点办法都没有,可以说这位导师,真的“为人师表”[偷笑]。
图51.入侵者系列电子侦察卫星
(五)六边形拼接----构架式可展开天线
工程测试卫星8(ETS-VIII)卫星是由日本国家空间发展局(NASDA)在1996年开发,用于通信、原子钟、离子引擎等技术的验证。提供卫星与手持终端通信所需的大型反射器,以及相配套的高功率发射器等技术的验证环境。
ETS-VIII上有两个大型可展开反射器。一个用于发送,另一个用于接收。每个反射器由14个直径4.8m六边形模块组成。
图52. ETS-VIII一共有28个六边形模块组成,两个反射面天线一收一发
每个模块都有六个径向可折叠桁架构件撑起的反射面,桁架在弹簧力的驱动下展开,展开速度由马达控制。收、发天线的结构相同。桁架能折叠的关键是,下图中红色桁架中间设有铰链,弹簧机构驱使使其红色桁架收缩,绿色平行四边形变长方形,天线展开。各种环向绳索保持整个构型,竖向拉索保持反射面设计的曲面。
图53.能够折叠的关键是图中红色桁架在滑动铰链驱使下收缩,绿色平行四边形变长方形
该天线形面精度高,刚度强度大,装配和调试时间短,但质量较大,达到170千克,口径为19米×17米。
图54.在地面测试是一个大反射面
图55.收拢后直径为l米,高度为3.4米
ETS-VIII还很超前的使用了31个单元组成的MMIC相控阵馈源,合成三个波束指向日本的不同区域。
图56. 31个单元组成的MMIC相控阵馈源
2006年12月18日,日本国家空间发展局成功发射5.8吨ETS-Ⅷ ,两个大型可展开反射器在静止轨道成功展开进行各种技术测试!
图57. 两个大型可展开反射器成功展开!
结束语
     自1964年Syncom3通讯卫星发射升空以来,在60年代还空荡荡的地球静止轨道,现如今众多卫星济济一堂,甚至是拥挤不堪,是因为两颗卫星之间必须保持1000公里以上的距离,以避免出现碰撞和干扰。
图58.注意美洲、欧洲区域,卫星都要“叠罗汉”了
在这有限的静止轨道空间里,各大电信运营商之间的竞争仍在持续上演,特别是覆盖市场热点上空的轨道空间,尤其在美洲、欧洲等热点区域。
通信卫星在现代生活中发挥着越来重要作用,她们让沉船能发出求救信号,让居住在偏远山区、荒漠、海岛的民众连接到互联网,让乘客在飞机上微信聊天、排遣孤寂……
图59.通信卫星在静止轨道,瞄准地球的热点地区发射电波!!!
在整个静止轨道通信卫星及其天线的发展过程中,各种创意,各种绝妙的解决方案,让人拍案叫绝!很多技术,我国也已经掌握,比如类似于一代TDRS所采用的刚性肋可展开天线,今年5月21日发射升空嫦娥四号中继星----鹊桥也用采用了此类天线,主天线展开直径达4.2米,是人类深空探测史上口径最大的通信天线。
图60. 嫦娥四号中继星----鹊桥
其实伞是中国发明的,古书《史记·五帝本纪》中就有了关于伞的记述,迄今已有近四千年的历史。真心希望更多的新技术能够在中国原创,中国能成为这个行业的技术领军国家,因为中国从来不缺创意!(缺的是激励一线创新的制度和相关的投入)

参考:
1、李团结、马小飞等著《 大型空间可展开天线技术研》
2、Donald H.Martin等著《Communication Satellites》第五版
这是星球大战的太空战舰?还是什么?猜猜看,这是什么探测器。

我,一个孤独的行者( 新浪微博ID:超超级Loveovergold),原创不易!
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发表于 2018-11-12 11:54 | 显示全部楼层
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 楼主| 发表于 2018-11-17 19:57 | 显示全部楼层
看天线,识卫星----漫谈卫星天线(五)
超超级loveovergold


导语:深空探测器,一旦踏上慢慢星际征途,就一去不返,渐行渐远,最远的旅行者1号距离地球已经有144个地日距离(AU,1个地日距离约1.5亿公里)。然而依靠特殊的天线技术,地球至今仍能够和这些无畏的使者保持联系。请看本期----深空探测器的大锅及其测控网。
“…小时候我一直有个梦/有一天我要飞上外太空/就像夏夜繁星闪烁...”五月天演绎这首《小时候》表达了人类一直渴望摆脱地球摇篮奔向外太空的愿望。戏剧性的是,上世纪50年代中后期在冷战铁幕的阴影之下,苏联于1957年10月4日发射了人类第一颗卫星,宣布了两个超级大国太空竞赛的开始,从而加速了这个梦想的实现。
美苏两国互不相让,均试图拿下更多的“第一次”!他们的想法无疑是前卫和无惧的,从下表可以看出,人造地球卫星发射后不到1年时间里,他们就争相迈出了飞上外太空的第一步,步伐和手笔之大令人感慨!
图1.1958年~1965年的10个“首次”探测项目
好比是蹒跚学步的婴儿就试图飞奔,这些初次尝试的结果,无一例外均为失败。据统计,从1958年~1965年,美苏两个大国发射的66个深空探测器,成功的仅有11个。这当中包含了许多运载火箭的故障,但也有不少是深空探测特性所增加的难度。我们先分享一下苏联在深空探测起步阶段的一些故事。
一、深空探测的先驱----苏联的月神(LUNA)计划
科罗廖夫和他的同事在1956年即开始讨论探月任务的设想,1958年1月苏联著名的科学家马斯蒂斯拉夫·克尔德什(Mstislav Keldysh)给科罗廖夫写信,提出了探测器撞击月球并拍摄图像传输到地球的设想,在两人说服下,苏联政府于1958年3月20日对探月项目予以立项。
图2. 科罗廖夫和克尔德什都是功勋卓著的苏联科学院院士
(一)差之毫厘,谬之千里的苏联Luna 1探月尝试
探月的难度可想而知,苏联的初次尝试选择了撞月,因为万一没射中,变成绕月、环月飞行,这事也算是“首次”!为了达到11千米/秒的逃逸速度,R7火箭加装Block-E第三级,Block-E干重1.12吨,在一对环形罐中贮存7吨煤油和液氧驱动RD-0105火箭发动机。R-7洲际弹道导弹可以使用自主惯性制导系统飞行,虽然开发了更精确的制导和控制系统,但其精度仅为10公里左右。通过使用拜科努尔发射场两侧250公里处的一对无线电测控站组成地面无线电三边测量和制导系统,测距精度提高到2公里,测角精确达到1/12度,结合使用多普勒频移分析技术测速精确达到2米/秒。这种精确度对于太空探测任务至关重要!
图3.增加了第三级的R7火箭
撞月的探测器主体为一个直径80厘米的球形舱,由铝镁合金制成,重170千克,由银锌和氧化汞电池供电。和Sputnik-1卫星一样,两个半球形部分用螺栓和橡胶垫圈连接,充1.3个大气压的氮气。
图4.Luna 1探测器
科学舱带了一些苏联国旗等纪念品,还包含了一对由五角形奖章和苏联徽章组成的不锈钢球体(直径7.5和12厘米),球体内还装了**,在撞击时爆裂并把徽章洒向月球!(不过3.3千米/秒的撞月速度,**明显多余,而且纪念品应该都汽化了)
图5.撞击月球的两个不锈钢球体,7.5和12厘米直径,内有**,撞击月球放烟花
月神计划无疑是命运多舛的!前三次发射,分别因为燃烧不稳定、火箭燃料管线中9至13Hz的共振问题、一级发动机的**氢泵故障失败!1959年1月2日Luna 1终于成功发射,奔月速度达到11.17千米/秒。理论上撞击月球的精度可以控制在100-200公里范围,但由于地面导航系统中预设R7火箭无线电导航参数时出现了2°的偏差,导致Block-E多燃烧了几秒,Luna 1错过月球,飞行34小时后从月球身边5995公里擦肩而过进入日心轨道。
这次“投石问路”的壮举真可谓“差之毫厘,谬之千里”!不过即便在阴差阳错下,Luna 1测量到月球没有磁场,还测量到太阳发射的等离子流----“太阳风”。并获得“第一颗人造行星”称号。
纠正了导航错误,1959年9月12日,苏联的Luna 2号精确地撞击到月球上两座环形山之间,这是人类文明史上第一次将人造物体降落(砸)在月球上。
(二)轨道设计成就“月之暗面”的第一个探测器----Luna 3
Luna 2号的成功撞击对于美国人来说无疑是一种刺激,但没等他们来得及从这种刺激中恢复过来时,三个星期后,Luna 3号又从发射场起飞,它重约434千克,不但成为人类近距离拍摄月球照片的首枚探测器,而且向人类传回了首张月球背面的图片。但是拍照并回传,对于当时来说是高难度动作,摆在面前的难题有:
1、胶片时代,没有数码相机,探测器上需要能冲洗照片并扫描成电信号回传。
2、照相机需要对准月球。
3、没有成熟的定向天线,发射机功率又有限,如何把照片信号可靠的回传地球?要知道苏联在1957年建成的第一代测控网,一共13个站点,但均集中在北半球,只能实现部分区域的测控。
图6. 苏联在1957年建成的第一代测控网,13个站点均集中在北半球
针对第一个问题,列宁格勒电视科学研究所(NII-380)开发了一个光电摄像单元,结构紧凑,f / 5.6光圈的200毫米镜头和带有f / 9.5光圈的500毫米镜头可同时拍摄两张照片。耐温和抗辐射的35毫米胶片技术,是通过缴获美国Genetrix气球逆向工程研发。40个胶片存储在铅衬仓中,胶片拍摄完之后显影、定影、干燥,来自阴极发光管的光束扫描胶片,图像由光电倍增管读取并输出成像,实现了1000 x 1000的分辨率。让探测器变成了一个太空照相冲洗店。
图7.小巧紧凑的太空冲洗扫描店
针对第二个问题,苏联科学家Boris Raushenbakh首次研制出探测器的三轴稳定系统,称为Chaike(Seagull)“查克”控制系统 。前后8个广角光电管测量太阳光,下图中(S)和(B)标注,一个窄角月光传感器(m)通过摄像窗口探测月光,三个陀螺仪(d)测量角速度,由继电器构成的专用计算机控制8个微型喷嘴,它们可以发出1/10秒的脉冲,由压力为150大气压的氮气罐提供动力。这套系统能够让相机稳定对准月球拍摄。
图8.Luna 3的三轴稳定系统,右为太阳传感器和氮气喷嘴
第三个问题其实最难!受到卫星条件限制,“冲洗”完的照片数据只能使用3瓦的功率在183.6 MHz载波上发送图片信号。地月距离在36~40万公里范围,是上期讲的GEO轨道的十倍,探测器发回的信号与发射同样功率的地球同步轨道卫星信号相比,强度只有后者的1/127!当时苏联的地球站还不具备远距离接收这么微弱信号的能力,怎么办?
图9.照片信号通过Luna 3头部四根鞭状旋转场天线发射(183.6 MHz),功率仅3瓦
LUNA计划发起者,苏联著名的科学家马斯蒂斯拉夫·克尔德什想了个率性、大胆也是高风险的解决方案----飞回来再接收!探测器借月球引力,辅助机动折返地球,靠近北半球之后再传送信号!这在当时是最复杂的航天器太空机动。
首先必须精确控制好R7火箭第三级的速度,Block-E关机后的速度必须比地球逃逸速度低60-90米/秒,不能超,否则回不来!
图10.从北面出发,从北面回来,月球引力辅助机动完美解决当时苏联深空探测的短板
其次,要控制好方向,苏联跟踪和制导系统现状只能向北发射,但发射后必须偏转,瞄准月球南极附近,在距离其表面几千公里绕行,受月球引力影响后绕回地球北面,也就是苏联领土上方的无线电测控区域回传数据。在Steklov数学研究所的Strela-1计算机模拟了地球,月球和太阳的引力,精确计算了轨道,并为苏联远东堪察加半岛的耶利佐沃遥测站和西端克里米亚南部的卡什卡山站两个无线电测控提供了建议。
作为向人造地球卫星发射两周年纪念的致敬,1959年10月4日,Luna 3探测器成功发射,获得了10.855公里/秒的亚地球逃逸速度。在长途奔袭中失去测控,主要依靠定时器按照设定的时序自动开展各项工作,因此Luna 3的另一个称谓是“The Automatic Interplanetary Station”(自动行星际站)。
图11.在太空Luna 3尾部弹出两根钢带天线构成V型偶极子测控天线(39.986 MHz)
令人佩服的是Luna 3首次成功的拍摄到了月球背面的照片。在返程中,由于回传的信号实在太微弱,当探测器靠近地球至4万公里时照片传输才得以有效进行!拍摄并成功洗出的17张照片图像需要8个小时传输,体装式太阳能发电贴片的供电却跟不上,Luna 3的无线电发射器只能传一个小时,然后在待机模式歇着用太阳能给电池充电两小时再继续。最终花了25小时传送了十多张照片。
说实在,千辛万苦传回的照片质量相当糟糕,但却是人类第一次见到神秘的月之暗面(The Hidden Side Of The Moon),这是首次从太空视角向人们展现月球,以至于在世界各地出版时,引起了广泛的兴奋和兴趣。
图12.1959年Luna 3拍摄的月之暗面和2009年月球勘测轨道飞行器拍摄的完全一致
二、深空探测的难关和解决策略
苏联月神计划中,地面仅有为数不多的10kW发射机测控站,探测器是区区数瓦的全向发射天线,这些低增益天线系统着实增加了深空探测任务的难度!而测控精度上的细微纰漏又直接影响到任务是否成功,也不妨看看美国,作为Pioneer / Able计划的一部分,美国也试图向月球发送简陋的探测器,而所有这些任务都失败了,Pioneer-4是1959年3月3日第一个达到地球逃逸速度的美国航天器,执行的月球飞越任务却偏离了月球有6万公里之多。
月球其实是深空探测家门口的第一站,都遇到了这么多麻烦,后续怎么办!细细分析并归纳起来,难题可以分为三类,而通过几十年的努力也有了一些解决策略。
(一)深空探测的测控难
国际上对于测控定义为Tracking,Telemetry&Command,即前几期经常提到的TT&C,中文通常称之为“跟踪,遥测及遥控”。对航天测控的跟踪通常包含测距,测速及测角三种操作,对于深空探测来说,用雷达回波时延测试超长距离会面临回波微弱,难以和噪声区别、检测困难的问题,必须采用比特位长特别长的伪随机码才能满足超长距离测距的需要对于测角来说,传统采用方向性极强的天线波束对准目标航天器,实现对其偏离轴向的方向和大小的测量,该方法对木星以外的深空探测存在精度不足的问题,70年代后期采用了VLBI(甚长基线干涉测量法),简单来说,VLBI就是把几个小望远镜联合起来,多个测控站相隔几千公里组成基线很长的天线阵干涉测量,分别在同一时刻接收同一射电源的信号﹐对各自的数据记录并进行相关运算﹐求出观测值﹐达到一架大望远镜的观测效果,因而极大地提高了分辨率,满足精度要求。一个地日距离下,目前精度已经可以小于1nrad,相当于误差低于150米;实时性要求高的还可以采用NASA 1990年代开发的CEI(Contiguous Elements Interferometer),连接元干涉仪技术实现实时测角。
遥测通常是指通过遥测系统来获取航天器各系统的工作及环境状态等信息,为航天器的运行或故障处理等提供依据,遥控是指对空间中的航天器进行远距离控制,主要用于对航天器进行数据注入、各种开关控制、载荷控制、轨道控制和姿态控制等。遥测和遥控在数据传输上数量不大,一般而言实时性要求极高,然而对于深空探测来说,30万公里/秒的光速都嫌慢,从下表中可以发现到月球还是秒级的时延,但对于7535~4297百万公里以外的冥王星,单程时延已经长达4~7小时,如果有操作人员按下“发动机点火”的开关,传递到冥王星探测器上,黄花菜也凉了!即便是大家津津乐道的火星,单程时延也达到3.31~22.294分钟,打电话给移民火星的地球人基本是不可能,发个短信估计要吃上一顿饭才能收到回复,只能指望星球大战里的原力成真,实现全息视频通信。
图13.与各个行星之间的超长距离,带来了测控和通信的大难题
因此,对于月球探测通信,还勉强可以采用准实时的遥控方式控制航天器平台和有效载荷;对于其他更遥远的行星,需要探测器在不同飞行阶段具备一定的自主导航和制导控制能力。
(二)深空探测的通信难
深空探测器采集到的和任务相关数据,比如照片、科学数据,往往数据量比较大,然而长距离造成了极大的信号路径损失,降低了接收信号的信噪比,限制了传输速率的提高。增大天线口径,缩小波束宽度,能量尽可能集中而不浪费在空间,采用抛物面定向天线是较好的办法,这也是题图各式探测器,大多“头顶一口锅”的由来。但由于受到航天器安装尺寸、重量的限制,天线口径受限,对于木星以外的行星探测还必须采用其他的办法来提高天线增益:
1、尽可能增大天线口径,使用更高的频段
天线增益和天线口径成正比,和波长的平方成反比,理论指导实践,主要的几个航天大国地球站口径从一开始的26米、32米、34米,向64米、70米、100米进军,相当于用大喇叭喊话和大耳廓聆听;也有通过几个天线组阵方式增加天线口径,如在卡西尼造访土星的时候,每天发回的数据量达到4Gb,为了解决这个问题,34米和70米口径天线组阵满足任务需求。
探测器上的天线口径也一样,阿波罗计划探测月球使用的天线口径仅0.6~1.5米,旅行者号增加到3.66米,1989年发射的伽利略号土星探测器增加到4.8米,几乎达到运载火箭发射整流罩的极限。深空探测的通信频段也在不断的提高,1960年代广泛使用S波段作为上下行,1970年代开始启用X波段,1990年代卡西尼甚至启用Ka波段作为下行。更高的频段,波长更小天线增益更高,同时也不易受到电离层和太阳等离子区中带电粒子的影响,不过短波长对于天线的加工精度、变形等要求增加,地球站的热变形、阵风变形、重力下垂变形等考验极大。
图14. 国际上对于深空通信上下行链路频率分配
2、增加发射功率
为了提高发射功率,深空探测地球站使用数百千瓦到一千千瓦的信号放大器;对于航天器来说,采用高性能太阳能发电帆板供电,木星距离以外的行星,采用同位素热电偶(RTG)发电,以达到最低几十瓦级别的发射功率。
3、采用信道编码、信源压缩技术
由于信号微弱、干扰等原因,地球站接收的数据难免有错,如果采用重传的方式,在大时延的情况下,一来一去,会是非常的痛苦。因此纠错编码是一种有效的办法,现有的深空探测器都无一例外地采用了有效的纠错编码方案,典型方案是以卷积码作为内码、里德一所罗门(R-S)码作为外码的级联码。随着计算处理能力的发展,也逐步采用具有优异性能的Toubo码和LDPC码等长码进行信道编码。
另外日常办公使用的数据压缩技术也当仁不让的应用在深空探测,在相同的传输能力下,能够将更多的数据传回地球,缓解对数据通信的压力。只不过,对于耗资巨大、千辛万苦获得的原始图像和科学数据,必须采用无损压缩,一般做到3:1的压缩率。
5、降低地面接收系统的噪声温度
深空探测任务中返回信号十分微弱,信噪比极低,为了努力降低地面接收系统的噪声水平,普遍在地球站采用低温制冷超低噪声温度放大器。
(三)深空探测的通信保持难
     地球在不停的旋转,要和天上的探测器保持7×24小时不停的通信,要求在地球表面间布下全球性的陆基深空网,理论上在地心角相距120度的地方各建一座地球测控站,即可对巡航期间的航天器进行全天时连续观测。
    深空探测虽难,但只要思想不滑坡,办法总比困难多!两个超级大国为了在太空竞赛中拿到更多的第一,在深空探测可谓拿出了举国之力,然而结局却截然不同……
三、赢在起跑线,却未能笑到终点的苏联深空探测辛酸史
拿到了撞月、探月的多个第一,也深刻认识到测控网的重要性,工欲善其事,必先利其器,苏联下定决心克服地球测控站的短板!
在科罗廖夫和克尔德什的提议下,1959年作为金星探测计划的一部分,代号为“冥王星”的深空测控网项目启动,在不到一年的时间里,在克里米亚半岛的叶夫帕托里亚建成了一座深空通信中心。
“冥王星”的深空测控网由三个ADU-1000天线组成。每个天线有8个直径16米的铝制卡塞格伦天线,由退役柴电潜艇的原型耐压壳体作为支撑结构,支撑结构的旋转基座安装在铁路桥桁架上,而为了承受天线和基座1500吨的巨大重量,天线的旋转底座甚至采用了重型巡洋舰三联装305毫米主炮塔的炮塔座圈,带有浓浓的北极熊后现代粗旷风格。不过这些七拼八凑,其实是在和时间赛跑!
图15.8个直径16米天线组阵,达到更大的天线孔径
在北场,建造了两个接收天线,用液氮冷却的低噪声参数MASER放大器接收信号,灵敏度提高了六倍,最高数据接收能力达到4Mbps/秒;距离北站8.5公里处的南站建造了一个发射机,最大发射功率80kW。“冥王星”深空测控网支持了所有苏联太空计划,直到1978年Yevpatoria RT-70射电望远镜建成后作为备用系统。他是1966年美国金石(Goldstone)64米深空站之前世界上最大的深空通信系统。说实话,三体迷最担心的事情,其实他早干了!1962年11月19日和24日,它朝天秤座星座HD131336的方向发送了“MIR”、“LENIN”和“CCCP”!这些信息是人类历史上第一个向地外文明的无线电广播,而令人感慨的是,发这些信息的政体已经不复存在……
图16. RT-70项目中P-2500天线,直径70米,发射功率200kW
为了弥补陆基测控站的不足,苏联自1967年开始改装和建造航天测量船,数量达到十多艘。其中“尤里.加加林”(Kosmonaut Yuri Gagarin)级(1909型)是世界上最著名、也是吨位最大的航天测控船,满载排水量53500吨。另外还建造了核动力的“泰坦”(Titan)级(1941型)核动力大型情报/指挥/测控船(北约代号“白菜”)。
图17. “加加林”号装有最大25米直径的天线,能同时跟踪2个航天器
有了深空探测的装备,苏联马不停蹄的进行了金星、火星探测……
(一)实为地狱----残酷而痛苦的金星探测史
金星离太阳更近,金星半径为6051公里,和地球的6378公里非常接近,这意味着在金星地面上的重力加速度可以和地球差不多(8.87m/s²),行走跑步体感舒适,属于星际移民加分项;其明亮的云层反射了70%的辐射,厚厚的云层通常被解释为金星是一个潮湿的热带世界的标志,使得金星可能具有适宜居住的气候,尽管对金星地表水的光谱检测产生了相互矛盾的结果。在20世纪50年代早期,美国诺贝尔奖获得者Harold Urey计算出金星的表面温度为53°C(127°F)。但在20世纪50年代后期,观察到一个不寻常的无线电频谱,表明同时存在高温和低温两种情况。科学家提出各种理论进行假设,但专业意见各不相同。看来,只有探测器降落金星实测才能揭开厚厚云层下金星的真实面目!
苏联发射了大量的金星探测器!其中有16艘航天器被命名为Venera(Venera是俄语中金星的意思,Венера),以及许多未被起名的失败任务(主要是苏联喜欢报喜不报忧),为了拿第一,苏联硬着头皮,失败了再发射,这些造型千奇百怪的探测器前赴后继,从开始发射直到第一次成功的探测经历了6年和11次发射!
图18.博物馆展出的Venera-1模型,2米直径的可折叠伞状抛物面天线无奈的耷拉着
Venera-1金星探测器重643.5千克,携带三组天线与地球通信。2.4米长的全向天线在近地轨道作为TT&C天线;在离开地球附近之后安装在太阳能电池板上的T形天线以每秒1.6比特的数据速率在分米无线电波段上传输TT&C信号;配置了一个2米直径的可折叠伞状抛物面天线,用于在922.8 MHz的频率从金星向地球发送科学数据,这是同类天线的第三次出场和第一次成功使用(前两次是苏联的Mars-1960A/B,不过两次都没能顺利上天)!Venera-1于1961年2月发射,同年5月19日飞越金星; 然而,在距离金星10万公里左右,地面与探测器的无线电失联,导致她没有返回任何数据,出师未捷身先死!不幸的事件后续接二连三出现,我只能简要的列出苏联金星探测的几个里程碑:
1、Venera-4终于进入金星大气层:1967年6月12日发射后,同年10月18日着陆舱终于进入金星大气层,展开降落伞后徐徐降落过程中将金星大气成分数据传回地球,但设计极限压强为25个大气压的舱体在下降到距离金星表面为24.96公里处受不了了被压瘪,信号停止发射!Venera-5号命运类似。Venera-6号着陆舱下降到距离金星表面10~12公里。
2、Venera-7终于在金星表面着陆:Venera-7于1970年8月17日发射,同年12月15日到达金星,这次毛子发了点恨,着陆舱能承受180个大气压,没有在下降过程中夭折,但降落伞受损,以每秒17米的速度撞击地面并翻倒,虽幸免于难工作了23分钟,但偏离预定着陆区域且天线未对准,探测效果大打折扣,但艰难的回传了大气温度。
3、Venera-8在金星表面首次成功登陆,工作了50多分钟,发回了关于压力、温度等数据,实锤了金星地狱般的恶劣大气条件。
图19. Venera-8着陆舱顶部是一个锥形螺旋天线
4、Venera-9发回金星表面的第一张图片:1975年,Venera-9的摄像机拍摄的照片被成功发回地球,坚持工作53分钟后香消玉殒。
图20. Venera-9发回金星表面的第一张图片
5、Venera-13发回金星地表第一张彩**像:Venera-13于1981年抵达维纳斯地面,并坚持工作了127分钟。
图21. Venera-13发回的金星地表第一张彩色全景图
不能把苏联金星探测史当成励志故事,作为探测器天线的专题,终于要回归本期主题了。其实苏联探测器中可以学到很多螺旋天线的知识。螺旋天线除了在第二期导航卫星上讲到组阵作为L波段定相天线外,其变种,锥形螺旋天线(Conical Spiral Antennas)由于圆极化、频带宽、增益相对较高、天线尺寸小等优点广泛的用作TT&C天线,并可以通过改型满足不同场景的需要。
锥形螺旋天线可以产生各种辐射方向图,螺旋的切线与圆锥母线间的夹角称螺旋角,螺旋角的大小在确定天线方位角上起到主要作用(另一个因素是锥体的锥角),螺旋角的角度越小,即绕线越陡,波束宽度越宽,从其范围从沿着轴发射的梨形波束到以较宽角度辐射的漏斗形波束。
图22. 螺旋角的大小确定辐射图案,会产生两种不同应用场景的天线
通常在苏联的一些卫星和探测器上能看到两到三个不同形状的锥形天线,飞行途中通过调用不同天线波束特性的锥形螺旋天线发射和接收信号,保持和地球的联系,确保测控正常。
图23. Venera-4两种不同的锥形螺旋天线,同时也可以看到其伞状可折叠抛物面天线
那么对于金星着陆任务来说,一个新问题出现了,如何把着陆器收集到的科学数据和照片回传地球?方法有两种,一种是直发,将遥测信号直接发射到地球。这种方案看似简单,但需要着陆器的半定向天线对准地球,卯足了劲发射信号!另一种是转发,金星探测器轨道舱作为中继,将着陆舱的信号转发回地球,这个方案看上去更靠谱,但如何让着陆舱的天线瞄准不停绕圈的轨道舱是个难题。苏联科学家并没有采用会摇头跟踪的定向天线锅,而是对锥形螺旋天线挖潜,充分使用其嬗变的特性,简化着陆舱天线设计,提高可靠性(美国在后续的火星车上,采用了两轴旋转的定向天线)。另外考虑到着陆舱在金星也就工作了几十分钟,但金星到地球双向需要几十分钟左右的时延,着陆舱干脆就只发送,不接收了!毛子就是这么实在!
Venera-7金星着陆舱采用了直发的方案,天线(下图左)的锥形螺旋天线被设计用于产生梨形天线方向图。她本计划降落在金星的背阳面中间,头顶地球传送信号。不幸的是,Venera-7以大约17米/秒硬着陆在金星侧面,导致信号降至正常强度的3%左右,仅发送了温度信息,马上被高温和高压吞噬。
图24.Venera-7~9三个金星着陆舱配置了三种不同的锥形螺旋天线
Venera-8金星着陆舱也采用了直发的方案,由于降落地点是在金星新月形区域,探测器从金星看地球,地球是在高出地平线30°左右的侧面。因此她的双线螺旋天线(上图中)被设计成产生漏斗形辐射方向图,这次成功了!Venera-8的着陆舱在分米波频带上以1比特/秒的速度,成功的传回了关于温度和气压的科学数据。
Venera-9的着陆舱(上图右)的天线设计采用了转发模式,其天线为四臂螺旋天线,通过调节四个相隔90°的发射单元的相位偏移,控制天线辐射方位图,生成可变的波束跟踪仍在绕金星飞行的探测器轨道舱,并将图像和科学数据在两个频段上传。
作为中继的轨道舱的接收天线,苏联也喜欢使用朴实无华、简简单单的螺旋天线。比如Vega金星/哈雷彗星探测器,Vega是”俄语金星Venera和俄语哈雷彗星Gallei的字母组合,她的太阳能电池板的背面可以看到大型米波段螺旋天线,是用于轨道舱和着陆舱之间的工作在186 MHz频点上数据链路天线。
图片上传失败!点击重试图25.Vega金星/哈雷彗星探测器头顶着陆舱,伸出两个“弹簧手”
直到今天,唯一能够触及金星表面的航天器是Venera/Vega探测器的着陆舱!但金星探测器可以说是赴汤蹈火一场空,因为最终发现金星表面的气体,主要是二氧化碳(96.5%)和氮气,根本无法呼吸,气压超过90个大气压,表面温度更是平均超过了400摄氏度。
金星可以说是太阳系内行星中最神圣的地方,每次都在2小时内杀害触碰到其表面的苏联探测器。金星成为了苏联探测器的地狱!
图26.金星,苏联探测器的地狱
(二)火星----苏联深空探测科学家的梦魇
火星是自然环境最接近地球的行星,被认为是最适合人类移民的星球,是世界各国组织实施深空探测活动的重点。1957年第一颗人造地球卫星成功发射后3年,苏联率先起征火星,1960年10月10日和14日发射的Mars-1960A/B均为Mars 1M型号,与Venera-1探测器一样,均为科罗廖夫的OKB-1设计局设计,结构几乎完全相同。
图27. Mars 1M与Venera-1设计几乎完全相同(像不像I am your father!)
Mars 1M在天线方面值得一提的是采用直径为2.80米的高增益抛物面天线,由7平方米的两个太阳能电池供电;两个低增益圆锥螺旋天线用作TT&C。
图28. 直径为2.80米的高增益抛物面天线和两个低增益圆锥螺旋天线有没有找到?
上节讲到苏联金星计划失败累累,统计从1961年到1984年超过23年的时间里,23个Venera/Vega探测器的结果,其中15次成功地从金星大气层传输数据,仅11个幸存到达金星地面并发回信息(数据可能由于不同的源头和口径有偏差),成功率不高!但苏联/俄罗斯的火星探测更糟糕!下表中罗列了全部20次发射任务,完全成功仅2个,部分成功2两个。你可以体会到苏联/俄罗斯火星探测科学家和工程师的苦闷!
图29. 苏联的火星探测中了“失败”的魔咒,甚至俄罗斯怎么也甩不掉
火星探测有一个窗口期,此时路程最短,一旦错过这个窗口,我们就必须等待下一个,而这一等就将是漫长的26个月。
图30.火星探测路程最短的窗口,每26个月才有一次
为了提高探测的成功率,苏联采取了双保险的方案,每次发射一对,甚至把月神计划中的撞击大法也拿出来,试图提高成功率!到了后期,1973年那个窗口,简直是梭哈,一个批次发射四个,两个环绕,两个着陆,终于有了寥寥几个成功,然而探测器着陆之后也是相当短命,4个“成功”和“部分成功”的含金量太低!和同时期美国的大获全胜形成鲜明的对比,苏联不仅仅输掉了载人登月,也在深空探测上完全败下阵来。甚至在1996年和2011年,改朝换代之后的俄罗斯也再次犯下低级错误,火星探测又遭遇两连败。
匪夷所思的是,俄罗斯在2003年6月2日,在坦拜科努尔发射场用联盟号/ Fregat运载火箭替欧空局发射其第一个火星快车探测器,居然一次成功!而且到目前为止,火星快车依旧工作正常。似乎火星真的不欢迎北极熊!
剔除明确的8次运载器、上面级故障,另有异常失联8次,这当中固然有战斗民族作风胆大粗糙,技术基础不扎实,以至于在太空竞赛中巨大的政治压力下赶进度、动作变形的缘故,也有相当证据表明俄罗斯深空测控网不给力,比如Phobos-2在进入环绕火星轨道后失联前最后发出的消息其实是美国人收到的。
不管怎么说,要感谢苏联这位值得尊敬的对手,因为他着实引领了一个时代,并让美国在深空探测上卯足了劲的追赶、赶超并取得全人类引以自豪的成就!

四、全球布局打好深空测控网基础,美国9大行星探测大满贯
在深空探测竞赛中,苏联在起跑阶段的领先着实刺痛了美国!美国决定兵分两路,在准备阿波罗登月项目的同时,拿出一部分人力和财力进行深空探测。1962年7月22日,NASA发射了第一颗金星探测器——水手1号(Mariner-1,未成功)。1964年11月,NASA发射了第一颗火星探测器——水手3号(未成功),但紧急进行整流罩改造后,同月成功发射水手4号,并于次年7月14日抵达距离火星表面不到9800千米的地方,拍摄了21张火星照片,同时探测到火星大气压还不到地球的1%,终结了所有“火星人”的科幻情节。
水手4号取得了前所未有的成功!但当时美国的深空测控网还比较简陋,数据传输限制在8.33比特/秒,这意味着来自水手4号的256×256像素的火星图像需要数周才能传输完。美国下定决心要建设一张更扎实的深空测控网,作为深空探测的千里眼和顺风耳!
美国深空测控通信网简称深空网,即DSN(Deep Space Network)。由于地球的自转,单个测控站的连续跟踪能力有限(8h~10.5h),一个国家或组织的地域是难以做到不间断连续跟踪测量。美国财大气粗,霸气侧漏,从1966年到1972年在美国加州的金石(Goldstone)、西班牙的马德里和澳大利亚的堪培拉建造了64米天线,比原有26米天线灵敏度提高了六倍以上,跟踪范围增加了一倍多。1966年3月,金石站新装备的64米DSS-14天线重新建立了与水手4的联系,把上次没传送的16和17两张照片断点下传,屌不屌!
图31.金石金石,石破天惊!
它们以接近120°的经度间隔均匀地布置在地球上,通过这三个深空联合体的交互配合,可以将无覆盖区域压制到南大西洋等个别区域。
图32.距地球3万公里,波束即可以实现无缝覆盖
(一)水手系列探测器小试牛刀初露锋芒
水手任务是1960年代和70年代的太空计划,其目的是访问内太阳系和地球以外的三个行星:水星,金星和火星。
图33.水手1/2号的是美版金星探测器
水手1号因为运载器问题发射失败,作为其备用星,水手2号在1962年8月27日发射升空,当年12月成功飞掠金星,用红外线和微波辐射仪,证实了金星表面被厚厚的二氧化碳云层覆盖及其高温地表,反驳了之前认为金星上存在海洋的理论。
图34.水手1/2的天线和科学仪器结构图
水手1/2的天线系统很大程度上是从突击者(Ranger)探测器继承而来,采用四个天线来满足各种飞行中通信要求。
1、指令天线系统由安装在太阳能电池板背面的旋转场天线和安装在太阳能电池板前侧的偶极天线组成,用作入轨前后的通信,工作频段890MHz。
2、探测器在中途机动之前,由位于探测器顶端的全向天线负责和地面站进行通信,工作频段960MHz。
3、在中途机动后并且在航天器的姿态得到纠正之后,位于探测器六角形结构底部的1.2米直径抛物面高增益定向天线开始工作,由金属丝网作为反射面,整个天线重量控制在5公斤以下;和Ranger 6/7一样,采用旋转场天线馈源发射960 MHz右旋圆极化波。
在有了初步探测结果之后,美国并没有像苏联一样死磕价值不大的金星,而是迅速研发了水手3/4号转战火星探测任务,抢夺另一个“第一”。
由于火星的距离比金星远了有接近一倍,水手3/4的天线较上代做了两个方面的改动,一是高增益定向天线出现了一张新面孔,反射器是一个椭圆形抛物面,长轴为1.17米,短轴为0.53米,馈源由两个旋转场天线构成,由玻璃纤维支撑桁架进行固定,发射右旋圆极化,但频段提升到S波段提高增益。
图35.在洁净室测试的水手3探测器上可以看到顶部的全向天线、定向天线有改动
二是启用S波段低增益天线替代之前的全向L波段天线,该天线为2.1米长,直径0.10米的铝制圆波导棍,在末端是一个带反射器的十字形波导缝隙右旋极化波发射天线。
图36.水手3/4的低增益天线在进行测试
水手3号由于太阳能帆板因整流罩缘故未能打开失效,3周内问题作了紧急处理,水手4号作为其姐妹探测器于1964年11月28日成功发射,到达火星后第一次拍摄了火星写真。
搞定火星之后,NASA腾出手用水手探测器再次造访了金星(水手5)、火星(水手6/7/8/9),赋予更多的科学探测任务。
扫清内行星就剩下最难啃的水星,由于减速需要巨大的ΔV,做了大量隔热改造的水手10号第一次使用一颗行星(金星)引力辅助减速到达另一颗行星(水星),顺便又观测了一次金星,成为第一个探测两颗行星的探测器。同时她也是第一个使用太阳风作用在太阳能电池板上,积少成多辅助航向修正的航天器。
图37.带了双摄像头的水手10古灵精怪,为了防止被太阳烤焦,穿了厚厚隔热衣
排除掉中间个别小问题,如水手7号电池气体泄漏导致的短暂遥测信号丢失、水手10号掉油漆导致姿态失稳、水手10号星载计算机偶尔无故重启之外,项目整体如果和苏联比起来,可以说是顺风顺水,拿下多个“第一”。没有比较,真没有伤害。
(二)旅行者号的外行星探测历程
美国人下一步的雄心是把木星、土星、天王星、海王星这4颗外行星一网打尽,恰好在这个时候遇到了176年一遇的机会,这4颗行星的几何排列会帮助深空探测器一路化缘借天体引力加速,完成不可能在这么短时间内完成的探测任务。设计了旅行者号两姐妹:姐姐旅行者1号定位为“快”,主要探测木星及土星,因此比它的妹妹还要晚发射,利用更快速的轨道到达木星及土星;妹妹旅行者2号,求“稳”,被设计可以利用一个不寻常的路线来探测4颗外行星,完成史诗般的“行星之旅计划(Planetary Grand Tour,它是NASA在60年代末、70年代初所发展的计划)”。现在要解决的超远距离的深空测控和通信,这个距离比内行星要大一个数量级以上。
铺垫工作其实在之前提到的水手10号上已经启动,1973年的水手10号进行了X波段试验。采用8GHz的X波段,同样的收、发天线尺寸和S波段相比可以增加11.32dB的增益,换句话讲可以让10米直径的天线发挥出36.8米的效果,非常显著。
水手10号探测器采用X波段与普通S波段相干下行链路把测距误差下降了80%,同时还利用X波段进行更高精度的空间科学探测试验,证明了X波段链路的可行性。因此旅行者号的主天线采用了S/X双频天线,而且是大锅顶小锅,一个顶三个。
图38.远看一口锅,近看是S/X双频大锅顶了个S频段的小天线。
旅行者号的抛物面主天线直径3.66米,引入了一个频率选择副反射面(A frequency selective subreflector (FSS)),这个副反射面反射高频段X频段信号,但对低频段S波段畅通无阻,因此是同时作为X波段的卡塞格伦天线和S波段的正馈抛物面天线,S波段的馈源安装在副反射面后。另外设计者又巧妙的在副反射面上装上了一个S波段的低增益天线,一举三的。低增益天线直接向地球发射圆极化波,波束宽度90度,在初始飞行阶段不需要精确对准,降低探测器姿态控制要求。
图39. 旅行者号的抛物面主天线的结构
神奇的频率选择副反射面是Nomex蜂窝芯夹层为结构,两面包覆Kevlar材料,铝制偶极子无源谐振单元整齐排列,镶嵌在内外表面,形成对X频段电波的反射,原理就像你家微波炉的面板,网孔形状就能把2.4G的微波予以反射隔绝。测量数据显示,旅行者号的这款FSS在S波段透射损耗<0.1 dB,在X波段反射损耗在0.1和0.2 dB之间。
图40. 频率选择副反射面的表面贴满十字形的阵子反射X频段电波
关于旅行者号的故事可以详见《40年寂寞征程飞出太阳系----献给深空探测器旅行者号》,但这里要说的是深空探测信号传送的事情,随着旅途不断的延伸,NASA的科学家使出了各种招数,旅行者号和地面的DSN不断接受硬件和软件的改造以适应渐行渐远的距离,保持通信并高速下载获取的照片和科学数据:
1、采用天线组阵技术:在1974年9月在金石使用两个26米天线和64米天线进行组阵接收水手10号的信号,达到了117 kbps的速度,验证了天线组阵技术的可行性,为旅行者号的地面信号接收能力拓展做好了技术储备。
1980年8月中旬,64米和34米的天线组阵应用于旅行者1号,阵列增益与单独的64米天线相比增加了0.62dB(约15%);当旅行者2号于1981年8月到达土星时,阵列增益与单独的64米天线相比增加了0.8dB(约20%),这是双天线组阵迄今为止最好的结果。
2、天线改造:在1982年~1988年期间,DSN将64米的天线的直径扩展为70米,而且同时支持X波段以及S波段来作为上行和下行传输的载波,大大增加了探测能力,从而可以支持旅行者2号与海王星相遇活动中的跟踪与控制任务。
图41.DSN金石64米站改造成为70米
3、采用压缩技术:为了更高效的传送数据,1986年“旅行者”号探测器遭遇天王星时首次将数据压缩技术用于深空应用中,压缩率为2.5:1。
4、启用新的编码技术旅行者2号在探测天王星时启用(7,1/2)卷积码和(275,223)RS码级连,信噪比门限下降至2.53dB,比无编码的PSK调制改善增益7.97 dB。
5、采用异地天线组阵技术
旅行者2号在抵近海王星时,位于美国加州金石的70米天线及2个34米天线,与相距1000多公里、位于新墨西哥州国家射电天文台(National Radio Astronomy Observatory,NRAO)的27个直径25米超大规模阵列天线实现组阵,完成了高质量的信号接收任务。
图42. 位于新墨西哥州国家射电天文台豪华的天线阵列
五、后旅行者号的深空探测器时代
水手系列、先驱者系列和旅行者号在冷战的太空竞赛拿下了无数第一,完成了对各大行星的“泛读”,求得了深空探测的极限,随后发达国家独立或者合作开启了对各大行星的“精读”模式,不过美国依然是领头羊。
1989年5月5日美国发射“麦哲伦”号金星探测器。她直径为3.66米主天线,和旅行者号的同款,不过在此次任务中即用做深空通信用天线,也当成雷达,而且是合成孔径雷达的天线,以超360米的分辨率测绘金星,这样高的精度是以往探测金星的航天器所未曾达到。
图43. “麦哲伦”号金星探测器。她的直径为3.7米主天线一物两用
1989年发射的伽利略号木星探测器美国和联邦德国合作的项目,也采用了旅行者号同样的3合一天线设计,只不过抛物面改为了可展开的伞面,直径达到了惊人的4.8米,由2台放射性同位素热电偶发电,可提供0~480瓦的电力。不过,阴差阳错,这个伞在太空因为润滑剂干燥没有正常打开,只能靠顶部的低增益天线临时替补,传输功率仅高增益天线的万分之一怎么办?依靠DSN的天线组阵技术,依靠临时启用的更强自纠错能力的卷积码和R-S码级联降低信噪比门限,依靠整数余弦变换(ICT)压缩算法实现高达20:1的图像压缩比(有损,也是无奈之举),挽救了整个探测任务。
伽利略号木星探测器在1994年7月近距离观察到了苏梅克-列维九号彗星罕见的撞击木星,是人们能首次直接观测太阳系的天体撞击事件。另外传回的数据表明,在木卫二的表层下可能有海洋。“木卫二上有水”的猜想期待着进一步的探索!
图44.伽利略借鉴了旅行者号的三合一天线设计,抛物面天线改为了可展开的伞面(未展开
受到“伽利略号”成功的鼓舞,美国和欧洲等17国进一步合作,又研制了一个飞向土星的太空探测器,并且为了纪念卡西尼当年发现土星光环的环缝,就把这颗太空探测器取名为“卡西尼号”。“卡西尼号”还携带了一个专门用于探测土星最大卫星土卫六的探测器,取名为“惠更斯号”。S波段演进到X波段通信的效果是非常显著的,科学家从1980年开始研究和开发启用更高的Ka波段(32 GHz),可以较S波段提升22.9dB增益,卡西尼号是这个研究的产物,她的高增益主天线可以在S/X/Ku/Ka四个无线电频段进行信号收发。卡西尼号同样为核能驱动,去年任务结束之后进入土星大气成为一颗亮丽的流星!
图45.卡西尼的主天线可以在S/X/Ku/Ka四个无线电频段进行信号收发
另外值得注意的是在天线下方的主馈源边上,还有一些小喇叭,这其实是卡西尼带的Ku波段合成孔径雷达的馈源,一共分为4组20个小喇叭,专门用来探测不少人提出的“最合适的人类移居星球”----土卫六(“泰坦”),确认了泰坦有一个由纯液态甲烷组成的巨大“海洋”。
图46.卡西尼的“多用途”天线
​惠更斯探测仪原本是通过卡西尼做中继,向地球回传信息,但欧洲工程师犯下低级错误,卡西尼和惠更斯探测器之间出现通讯障碍,这次又是深空测控网救场,做了调整直接捕捉惠更斯发出的微弱信号,获得了50%的照片,再一次挽救了任务。
NASA另外于2006年1月19日发射了“新视野”号探测器,其主要任务是探测冥王星及其最大的卫星卡戎(冥卫一)和探测位于柯伊柏带的小行星群。但该探测器还在赶路时,国际天文学联合会就开除了冥王星的“行星”资格,“降级”了此次探测任务。
“新视野”重478.4公斤,整个外形有点像三角钢琴顶了一口大锅。此次去冥王星的路途非常遥远,天线设计也颇为讲究。高增益天线抛物面盘的直径为2.1米,高增益波束仅0.3度宽,即便在遥远的36倍日地距离下也可以达到600bit / s的回传速率,但要求航天器准确地指向地球,这对于姿态调整来说是件辛苦的工作,要不断的跟踪、指令控制和指令引导,而且往往要消耗宝贵的推进剂。因此“新视野”号带了中增益和低增益天线分别在不同阶段使用。其中低增益全向天线在大约1 倍日地距离下工作,为初始任务阶段调试提供通信;30厘米的碟形天线的中增益天线波束宽度4度,只要探测器粗粗指向地球都能满足通信需求,简化了任务。
图47.新视野号的结构图
图48.目前新视野号正在奔往柯伊柏带小行星群
结束语
本期在介绍深空探测器天线的同时,顺道介绍了人类深空探测史。事实上,目前的深空探测已经由行星延伸到小行星,科学任务由着陆、地表漫游取样分析并拓展到样品带回地球,这方面美国、日本、欧洲领先暂时领先。
但我觉得,深空探测取得的令全人类自豪的成绩,不能忘了在地面默默无闻的深空测控网,可以说深空测控网能看到多远、听到多远、算到多准,决定了深空探测能够走到多远!唯有他给力的测控,搭建起和探测器天线可靠的信息桥梁,才让我们获知了地外的奥秘!
视线转到中国,我国的深空探测起步较晚,投入不多,也尝到过毛子不靠谱的痛苦,但还是步履扎实往前走。新增了上海65米射电望远镜和佳木斯66米、喀什35米、阿根廷35米三个深空测控站。其中最大佳木斯深空站波束宽度为0.04度,其深空探测的作用距离达到4亿公里,为嫦娥1~3号探月任务保驾护航,协助攻克了“绕、落、回”前两个难关!
图49.佳木斯深空站的工作人员正在过组织生活(来源:科学大院)
据悉嫦娥四号将在2018年12月8日凌晨发射,此次任务将实现人类首次在月球背面登陆,任务相关的“鹊桥”中继星也已发射成功。衷心祝愿此次任务成功,让我国在深空探测上能够越走越远!
(全文完)
上期答案:这个探测器是钱德拉X射线天文台(Chandra X-ray Observatory,缩写为CXO),NASA于1999年发射,目的是观测天体的X射线辐射,被认为是X射线天文学上具有里程碑意义的空间望远镜。

参考:
1、Don P. Mitchell著《Venera: The Soviet Exploration of Venus》
2、William A. Imbriale编著《Spaceborne Antennas for Planetary Exploration》
3、姜昌著《深空通信跟踪的根本问题国际解决现状和我国对策》

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发表于 2018-11-17 23:53 | 显示全部楼层
现实压力和军备竞赛才能激发全人类的智商啊!
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 楼主| 发表于 2018-12-8 16:40 | 显示全部楼层
太阳同步轨道,倾角总在98度处
超超级loveovergold


​​最近各国航天机构(尤其是中国)密集发射,截至11月21日,两个月内全球至少有6次发射。除中国的北斗卫星外,其余都是遥感、气象等太阳同步轨道的对地观测卫星。
不知道大家有没有注意到这些卫星的轨道,高度从500公里到800公里不等,但倾角却奇怪地都在98度左右,为什么?今天我们就来讲讲太阳同步轨道与98度的奥秘。
一、密集发射,留下一个关键词“98”度
先来看看这些卫星,都是遥感、气象、视频拍摄等对地观测类地球资源卫星。下表是最近发射的几颗卫星的信息,“轨道”一栏的数值,分别是轨道的近地点、远地点和倾角。可以看到,倾角都是98°左右,且随着轨道高度的升高,倾角从97.3°上升到了98.7°。
什么是倾角?地球资源卫星是什么目的?什么是太阳同步轨道?为什么都是在98°附近?
二、什么是倾角(Inclination)
比较形象的说法是卫星轨道平面和赤道平面的夹角,但未定方向!准确的定义是,卫星轨道平面垂直方向称为法向,下图用黄色箭头标注,这个法向与北极的夹角称为倾角。
(一)倾角为0度
卫星轨道平面与地球赤道平面重合,卫星始终在赤道上空飞行,这种轨道称为赤道轨道,比如地球静止轨道卫星。
(二)倾角在0~90度
下图中卫星的运行方向和地球自转的方向一致,称为顺行轨道,它的特征是向东发射把卫星送入这种轨道,可利用地球自西向东自转的部分速度,从而节约火箭的能量。世界各国早期发射的卫星,以及后来发射的大部分卫星都是采用这种轨道。
(三)倾角为90度
倾角为90度,卫星轨道平面与地球赤道平面垂直,飞越南北两极上空,叫极地轨道。在这种轨道上运行的卫星可以飞经地球上任何地区上空。部分铱星和极地气象卫星采用此轨道,但非常少。
(四)倾角在90~180度
下图中倾角大于90度而小于180度,卫星的运行方向和地球自转的方向相反,称为逆行轨道。要把卫星送入这种轨道运行,运载火箭需要朝西南方向发射,不仅无法利用地球自转的部分速度,而且还要付出额外能量克服地球自转。因此,除了太阳同步轨道外,一般都不利用这类轨道。
下图为我国太原卫星发射中心发射太阳同步轨道地球观测卫星的轨迹,红色为火箭一级落点。
三、名声不佳的对地观测卫星
     不知道大家有没有注意到,之前“小白兔”发射此类遥感卫星,新闻通稿上经常是这么写的:“X月X日,我国发射了遥感卫星XX号”。卫星“主要用于国土资源普查、农作物估产及防灾减灾等领域”。
事实上,高分辨率对地观测卫星能够看清地面上的森林、植被、农作物,也能够看清楚建筑物、交通工具,还可以根据相同太阳光照条件下,被观测物体留下的影子长短测算其长度,甚至根据前后两天同一时间照片对比,发现一些异动!事实上这个目的就可以很“广泛了”,比如军事用途的间谍卫星!
法国人则比较直白,分别在2011年和2012年发射了昴星团(Pléiades)双星星座侦查卫星,直说----就是军民两用Pléiades1A和Pléiades1B两颗卫星互成180度夹角在太阳同步轨道运行,轨道高度695公里,轨道倾角98.2°,和文章开头表格中5颗(组)卫星的轨道如出一辙。该卫星最高分辨率0.5米,2017年5月27日该卫星拍摄了上海浦东的陆家嘴地区,图像非常清晰,太阳照射留下的影子加强了对建筑物的分辨,并提供了高度比对的参照(哪个楼最高?)。
它也拍摄到了美国珍珠港太平洋第七舰队的照片,航母上有几架飞机,一清二楚!该卫星可以实现每天同一地点重访,因此,此类对地观测卫星作用巨大。
太阳同步轨道可以为一些观测型的任务提供较稳定的太阳入射条件,在太阳同步轨道上运行的卫星,可在相同的时间和光照条件下观察云层和地面目标。气象卫星、地球资源卫星和照相侦察卫星一般都选取太阳同步轨道,以使拍摄的地面目标的图像最好。
四、太阳同步轨道,98度处不可少
太阳同步轨道(Sun-synchronous orbit,SSO),顾名思义,和太阳保持一定的同步关系,但这个同步实现起来不简单。
(一)地球在公转,轨道平面也要跟着变
为了保证前后两天可在相同的时间和相同的光照条件下观察云层和地面目标,卫星的轨道平面要与太阳-地球连线保持固定的夹角。下图中,可以看到,假设需要选择37.5度的夹角,但随着地球的公转,从①点到③点,轨道平面需要旋转超过90度。地球围绕太阳公转一年,为使轨道平面保持固定的角度,卫星必须旋转或进动360度,即轨道平面每天旋转0.9856度(很好记,985学校666)。
但要保持轨道平面每日旋转,开销不小!要知道,旋转卫星轨道平面需要巨大的速度增量,旋转360度至少需要两倍的在轨线速度增量,这是任何一颗卫星不能承受之痛!
(二)地球的不规则形状帮了大忙
地球,其实并不是个完美的球体,具体地说,地球由于自转而成扁球体, 在赤道处呈隆起状态,地球赤道部分有些鼓胀,另外其质量分布也不均匀,这些都对卫星产生额外的吸引力,使卫星轨道平面在惯性空间中不断变动。这个不规则形状能不能帮上忙?
用r、λ、φ在描写卫星在惯性空间的位置,分别为地心距离、地心经度、地心纬度,那么卫星受到的引力场位函数U可以表达为:
我知道有很多人从高中就罹患“西格玛综合症”:看到西格玛,头皮就发麻!不过,不讲这个公式,感觉真对不起天天给我们预报天气的太阳同步轨道气象卫星,大家坚持一下,长跑跑到这里,已经是极点了!
这个公式解释如下:
1、μ/r是球形地球的引力项,中括号中1后面的Σ表示的是地球非中心引力项的摄动;
2、法国数学家勒让德(Legendre,Adrien-Marie,1752年~1833年)分析球体吸引,包括非均匀球体情形,1784年发表《关于行星形状的研究》,在此文中推导出勒让德多项式的一些性质,并将这些性质运用到万有引力的问题求解,对分析球坐标中三维拉布拉斯方程或相关的偏微分方程,开创了一个时代。
阿德利昂·玛利·埃·勒让德(1752年~1833年)
Σ后面带的Pn(sinφ)是自变量sinφ的n阶勒让德多项式(又称带谐项,Zonal Harmonic),与卫星所处的纬度有关;Pnm (sinφ)是m次n阶的缔合勒让德多项式(又称田谐项,Tesseral Harmonic)与卫星所处的经度和纬度有关。
3、式中μ为地球引力常数,Jn、Jnm是与地球形状及密度分布有关的常数,这些常数多年来通过人造地球卫星测地给出了地球引力场的多个模型国际还在2000、2002 和2009 年发射了3 颗低轨重力卫星----CHAMP、GRACE、GOCE进行更为精确的测量,满足在卫星定轨、武器发射以及天文常数确定等方面的应用。
4、经过测量地球这个旋转椭球体,平均赤道半径为6378.38公里,极半径为6356.89公里,其赤道半径比极半径长21.5公里!J2项表征地球的扁率,常称为地球扁率摄动,J2值为1.08263×10-3,J2项是主要项;J3项反映地球南北不对称,北极地区约高出18.9米,南极地区则低下24~30米,呈梨形;J22项反映地球赤道也是一个椭圆,这个椭圆的长轴只比短轴长138米,长轴约在东经162°和西经18°方向,短轴约在东经72°和西经108°方向,但J3之后项都在10-6量级,较J2小了千倍,在近地轨道计算中,可以忽略处理。
5、卫星的轨道参数总共六个,分别是确定轨道位置的倾角(i)、升交点赤经(Ω)、近地点幅角(w),决定轨道形状的偏心率(e)、半长轴长度(a)和过近地点时刻(τ)。
人造卫星上天之后,推动了地球引力场位函数方程与上述轨道参数之间的关系探寻并精确求解。从上世纪50年代开始,布劳威(Brouwer)和考拉(Kaula)做了大量工作,具体可以见《航天器轨道动力学与控制》或者南大天文系刘林老师编著的《人造地球卫星轨道力学》(印量少,有需要的可以微博私信我PDF版)。大量数学家对于近地轨道地球非中心项摄动的研究,结论如下:
地球引力场非中心项摄动对卫星的倾角、半长轴长度、偏心率没有任何影响,主要影响是产生轨道面进动,其次是产生椭圆轨道面长轴的旋转(后面会结合闪电轨道讲到具体的应用)。
    轨道面进动方程,用升交点赤经Ω的变化率表示,ae为地球半径,即:
对于倾角i<90°, Ω<0,即轨道面西退;对于i>90°, Ω>0,轨道面东进;对于i=90°, Ω=0,极轨轨道轨道面不动!
     怎么理解呢?我们拿i>90°的情况来说明,地球赤道鼓涨产生的引力,图中“黑带”,对卫星产生了额外的吸引力,相当于给轨道平面附加了1个力矩,按物理学术语,转动物体受到垂直于其自转轴的外力矩作用时,其自转轴便向外力矩的正方向靠拢,就形成轨道平面进动。但进动方向与轨道倾角有关,下图中,卫星从东北飞向西南的时候,在赤道上方是被活生生往东南方向拽的,见绿色箭头,因此引发轨道面向东进动。而当i=90这种情况,卫星飞行轨道和地球赤道鼓涨的引力重叠,因此也就无法产生轨道面进动的效应。I<90,轨道面向西进动。
适当调整卫星的倾角和轨道高度、偏心率,可使卫星轨道平面的进动角速度每天东进0.9856度,恰好等于地球绕太阳公转的日平均角速度!令上式Ω=0.9856,并将J2=1.08263×10-3数值代入,得到应用价值极大的圆形太阳同步轨道倾角公式:
太阳同步轨道倾角i和高度a、偏心率e关系如下图:
典型的太阳同步轨道是大约600-800公里在高度,周期在96-100分钟范围,根据不同的偏心率,倾角大约在98°附近,轨道高度增加倾角也会相应的增加,满足轨道平面每天旋转0.9856度要求,匹配任务需要。这就是本文寻求的答案!
具体太阳同步轨道高度,要根据星载遥感器地面幅宽需求进行选取。如果太阳同步轨道为96分钟的一个轨道周期,均匀地划分成地球太阳日(15次),选择合适的高度,让两次遥感地面宽幅无缝拼接,卫星在一天中连贯的十五次扫描中可以把地球扫个遍(高纬度,可能要受到卫星倾角的影响,成为部分无价值的盲区)。
另外,选择太阳同步轨道,能保证卫星每天在特定的时刻经过指定地区,即以相同方向经过同一纬度时的当地时间(地方平太阳时)相同,例如,一颗太阳同步卫星一天可以在升交点越过地球赤道14次,而每次都约在地方平时15:00经过。因此卫星在经过同纬度地时是有相近的光照条件,在可见光或红外线波长上有着一致光源的地球影像,从而得到高质量的地面目标图像,这就是气象卫星、资源卫星通常选择太阳同步轨道的原因。
(三)数学家打好基础,全人类分享成果
    科技是第一生产力,在数学家拿出数学模型,并通过分析法和数值积分法结合在电子计算机上演算出各种扰动力及J2等常量后,1966年2月3日,美国在卡角用德尔他火箭发射了第一颗实用气象卫星“艾萨(ESSA)”1号,轨道为689×818×97.9°,配置两台广角照相机,云图的星下点分辨率为4000米。这颗卫星一直工作到1967年的5月8日,它的发射成功开辟了世界气象卫星应用新领域,大大减少了由于气象原因造成的各种损失。
第一颗实用太阳同步轨道气象卫星“艾萨(ESSA)”1号
(四)有代表性的太阳同步轨道卫星
1、独臂侠----气象卫星
一般的空间飞行器都采用对称太阳翼的设计,这样有利于卫星在空间保持姿态的稳定。但太阳同步轨道的气象卫星,多半是独臂侠。这是因为装载的红外探测仪对温度的变化极为敏感,需要对其进行降温以保证探测的精确性。当太阳光照射到太阳帆板上时,会产生红外辐射的反射,影响卫星定标精度和制冷效果,所以采用单太阳翼的设计。下图为美国国家海洋和大气管理局(U.S. National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)刚刚发射升空的JPSS-1(Joint Polar Satellite System)气象卫星,其中可见光和红外成像系统(Visible Infrared Imaging Radiometer Suite,VIIRS),被装置在离单侧太阳帆板最远端,并加装热屏蔽罩。
2、黄昏追逐黎明----游走在晨昏线的合成孔径雷达对地观测卫星
加拿大雷达卫星系列目前包括RADARSAT-1/2这两颗卫星。RADARSAT-1卫星1995年11月发射升空,太阳同步轨道,793Km×821Km×98.6°,为加拿大及世界其他国家提供了大量数据。RADARSAT-1的后继星是2007年12月14日发射的RADARSAT-2卫星,它是加拿大第二代商业雷达卫星。但下图中,为什么这个卫星可以有两个太阳能帆板?这要从她独特的轨道平面和星载遥感观测仪器说起。
这个卫星,没带光学照相机,却载有功能强大的合成孔径雷达(SAR),上图中卫星下方的“长板凳”,可以全天时,全天候成像,无所谓太阳照射角度!但雷达费电啊,整星功耗达2100瓦!如果在轨道地影期间阴暗的半圈,蓄电池完全供不上,只能怠工,这是浪费!
而轨道平面在晨昏线,也就是下图中黑白交界的轨道平面附近,卫星一侧(图中右侧)24小时始终受到稳定的太阳光直射,这就完美契合雷达观测卫星的工作需要,因此RADARSAT大胆的配置了双侧太阳能帆板,夜以继日地工作,用可以透过云层、雨雪、沙尘的C 波段5.3 GHz合成孔径雷达获取独一无二的地球写真!最高分辨率达到10m。RADARSAT系列卫星的应用广泛,包括减灾防灾、雷达干涉、农业、制图、水资源、林业、海洋、海冰和海岸线监测…
飞一圈,从18点飞到6点,就像陈粒在《奇妙能力歌》中唱到的“…看过黄昏追逐黎明,没看过你…”。嗯,天上的卫星,工作是孤独和艰辛!晨昏线轨道卫星双面性格,向阳一侧和背阳一侧温差极大,需要对卫星平台进行针对性的热补偿和热平衡设计,消除温度梯度的影响。此外还要对星上遥感仪器进行严格的遮光设计。
3、到目前,太阳同步轨道已济济一堂
从北极看,卫星轨道密密麻麻!有纯公益气象卫星,也有大量军民两用甚至间谍卫星不停地在我们头顶飞过,还不时进动一下,调整姿势明天准时再来!
五、地球形状摄动研究成果也造福苏联等高纬度地区
地球扁率引起椭圆长轴在轨道面内均匀转动。转动角速率用近地点幅角的变化率表示。在倾角小于63.4°或大于 116.6°时,近地点幅角均匀增加。在63.4°与116.6°之间时,均匀减小。等于63.4°或116.6°时,不转动。63.4°和116.6°称为临界倾角,苏联的“闪电”号通信卫星倾角选为临界角,避免了远地点位置的移动,使得远地点始终在苏联领土上空,保持苏联国内通信时间较长。在苏联没有合适的大型运载火箭发射地球静止轨道通信卫星时,就一直采用3颗“闪电”通信卫星实现高纬度地区通信。逐渐,该轨道就被人们称作“闪电轨道”了。​​​​
狡猾狡猾的美国人当然不会放过这个好资源, NRO(美国国家侦查局)就利用这个轨道,部署了大量电子侦察卫星,监视“北极熊”的军事行动,比如“号角TRUMPET”电子侦察卫星,就是走这个轨道、干这个活的,长期滞留在椭圆形轨道俄罗斯上空,硕大的反射天线,搜集到很多情报。
Charles P. Vick画的“号角”电子侦察卫星假想图

另外有时也利用摄动力来得到所需要的卫星变轨。
六、结束语
最后送上“四季”,这并不是维瓦尔第创作小提琴协奏名曲,而是美国纽约州乔治湖地区的四季植被变化——“大地”(TERRA)太阳同步轨道地球资源技术卫星搭载的“先进空间热辐射和反射分光辐射谱仪”拍摄的人间四季!
无论春夏秋冬,愿你和你爱的人永远在一起,LOVE OVER GOLD

我,一个孤独的行者( 新浪微博ID:超超级Loveovergold),原创不易!



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 楼主| 发表于 2019-1-5 19:19 | 显示全部楼层
哈里.谢顿 发表于 2018-7-8 09:08
举火寻道六十年----地外着陆反推火箭发动机发展史揭秘超超级loveovergold  

超超级loveovergold  

嫦娥四号探测器下降级发动机是六院研制的7500N变推力发动机,已完成中途修正、近月制动,即将执行动力下降任务。该发动机采用的针拴式喷注器和可变面积汽蚀文氏管,借鉴了60年前的鼻祖LMDE,但创新点在于用液压作动原理使可调喷注器随推进剂流量改变而自主调节,简化设计,替代LMDE的杠杆定位双调系统

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 楼主| 发表于 2019-2-4 12:02 | 显示全部楼层
]@超超级loveovergold[
苏联L3月球探测组合体由N1火箭(图1可见众多NK-33发动机复杂的管路)发射,释放LK载人登月舱下降至月球。LK登月舱重量为5560千克,高度为5.2米,着陆架的尺寸为5.4米,其乘员舱仅能容纳1人。LK最复杂的是乘员舱下部火箭单元BLOCK E模块,由南方设计局设计,质量为2950千克。为提高可靠性,其发动机由主用的RD-858发动机(11D411)和备用发动机RD-859(11D412)组成,推进剂为**和偏二甲肼,均为燃气发生器循环,用于减速、下降、悬停及返回绕月轨道,节省了整体重量,这种设计和阿波罗登月舱区分上升和下降级发动机的差异很大。到1974年时共制造了约20个BLOCK E模块,当然了,没有一个完成使命。
RD-858(11D411)具有深度节流能力,主要技术特点:主模式推力20.1±1.96 kN,推力室压力为7.85MPa,毒发混合比为2.03,比冲为3090 m / s;深度节流模式下的推力 8.41±2.94 kN,推力室压力为3.31MPa,混合比为1.6,比冲为2790 m / s; 总运行时间可达470 s,其中深度节流模式下的运行时间可达100 s,发动机干重53千克,见图8。RD-859(11D412)的主要技术特点:发动机推力20.05±1.96 kN,比冲3060 m / s,推力室压力为7.85MPa,混合比2.0,总运行时间最长400 s,发动机干重57千克,见图9。


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 楼主| 发表于 2019-3-22 13:05 | 显示全部楼层
VASIMR发动机技术让39天去火星成为现实!++


超超级loveovergold

导语:十年前看阿凡达,气势磅礴的星际飞船带着烧红了的翅膀,飞向潘多拉星球,继而引发了一个外太空拆迁中的爱恨情仇……一转眼,马斯克的不锈钢飞船和猛禽发动机让我们感受到离载人火星之旅越来越近。然而,依靠化学能的火箭发动机是不是最合适的行星际飞船动力?还是NERVA的核热动力氢工质火箭发动机?本期我们来聊聊更有前景的可变比冲的磁等离子体(VASIMR)发动机。
        火星是地球的近邻,直径约为地球直径的一半,但很多方面和地球冥冥中类似,比如火星的昼夜是24小时37分钟,和地球很接近;自转轴的倾角是25度,会有和地球非常类似的四季,不过她的公转周期为686天(667个火星日),每个季节放大到了地球的两倍。火星由此被认为是最适合人类移民的星球,这或许是人类走出地球摇篮的第一步。
图1.地球和火星,冥冥中有诸多相似之处
载人火星之旅并不是带着换洗衣服推着拉杆箱就出发,衣食住行都得考虑,要带的东西好多!最简配,两人成团,按自由返回轨道绕行火星旅程安排(不落地、不插旗),行程也长达500天,循环利用也要净消耗氧气897公斤,水2235公斤,食品1384公斤;如果要登陆火星,火星地表大气压为地球海平面大气压的0.6%,远比地球小,而且火星上风大,虽然电影《火星救援》开篇灾难吧夸张了点,但风沙天还是经常有,永久、半永久增压生活舱都得厚实牢靠,同时火星上外出要穿特殊的压力服。因此去往火星之旅,必定需要带上很多装备,必须要有强有力的火箭作陪。
图2. 火星上外出要穿特殊的压力服
载人火星落地插旗的具体行程安排,比较可行的是轨道组装载人火星飞船组合体方案,由6步组成:
第一步:运载火箭多次发射,把登陆火星飞船、转移居住舱、返回地球舱、推进舱分批次运送到低地球轨道(LEO),在低地球轨道把上述部件组装成载人火星飞行任务的大型飞船组合体。
第二步:上面级火箭发力,组合体步入地球-火星转移轨道。
第三步:经过数月的飞行接近火星,组合体修正速度,进入低火星轨道(LMO)。
第四步:宇航员从转移居住舱转移到登陆火星飞船,登陆火星飞船(含在火星生存的表面居住舱,降落火星的下降舱和从火星起飞的上升舱)分离减速,在火星表面着陆,宇航员在火星表面进行探测和研究。
第五步:宇航员乘坐登陆火星飞船上升舱起飞进入低火星轨道(LMO),与留在近火轨道上的组合体对接,踏入火星-地球转移轨道回程。
第六步:组合体减速回到低地球轨道,乘员舱与之分离再入大气层,完成载人火星探测及返回地球任务。
怎么样,看着是不是特别复杂、特别难?其实这6步和登月并没有本质区别,当年冯布劳恩倾尽全力牵头研制的土星五号火箭成就了整个阿波罗计划,对于载人火星之旅而言,如果有了给力的火箭推进技术,其实也不难,当然前提是有足够多的钱和新技术。
对于载人火星之旅,卡脖子的是送货至LEO和往返于地球-火星转移轨道两步。
一、送货至LEO其实只要有钱就行
火星之旅需要把上百吨的物资首先送到低地球轨道,而这些物资的体积比较大,对火箭整流罩的尺寸、容积都有要求,小火箭蚂蚁搬家的模式空间组装任务复杂。不过冷战期间的太空竞赛着实出现了多款性能优异的火箭,比如一级装配了5台液氧煤油F1液体火箭发动机的土星五号火箭,LEO的运送能力达到了惊人的140吨,而且从未有失败的记录。另外航天飞机改装方案也是可行,Shuttle-C(C取自英文Cargo,运输的首字母)是NASA在1984年至1995年期间研究将航天飞机发射系统衍生为专用无人货运运载器的方案,该方案利旧了航天飞机外部贮箱和固体火箭助推器(SRB)、SSME(航天飞机主发动机),以及外部贮箱与航天飞机的固定组件,不可复用,其LEO最高运载能力也达到71吨。
图3.图纸上的Shuttle-C
作为竞争对手,苏联研发了重型运载火箭能源号(Energia),能源号并非仅仅为了暴风雪号,设计师瓦连京·格鲁什科(ValentinGlushko)雄心勃勃的制定了重型和超重型火箭大家族。能源火箭基于模块化设计,通过在火箭周围捆绑4个天顶号助推火箭,载荷安置在侧面可将100吨载荷送入低地球轨道;配置8个天顶号助推火箭能源-B型,载荷放在顶部,则可以达到200吨的LEO运送能力。
如果说从旧的图纸堆里面复原曾经的辉煌,由于年代久远不甚可行,那么现在正在研发的SLS和太空探索公司的BFR,以及进度一直拖延的蓝色起源New Glenn也是完全可以期待。
图4.各种超大运载能力的巨型火箭
二、往返地球-火星的舒适旅途,关键还是看速度增量
     在低地球轨道的组合体整装待发,但要指出,往返的火星之旅轨道非常关键。地球绕太阳两圈的时间里,火星大约绕一圈多一点,这个过程中地球和火星在公转轨道同侧的最近距离在5500万公里左右,此时路程最短,但由于地球公转有29.79公里/秒的速度,借这个力奔向火星的方案远比直直的过去要明智,可以节省大量改变航向的推进剂。
这里要引入速度增量这个概念,改变速度才能改变轨道,而改变幅度越大则意味着所需消耗的燃料越多,因此改变轨道所需的速度变化自然成了一个重要的衡量指标,通常使用希腊字母Δ指代变化,速度变化便是ΔV,常以dV简写。比如从地球表面发射卫星到LEO,大约需要9.4公里/秒的速度增量,包括突破第一宇宙速度必须的7.8公里/秒,也包含克服大气阻力和重力的1.5-2 公里/秒的速度增量。
1925年,德国物理学家奥尔特·霍曼博士推导出在两条同一平面上、半径相异的圆形轨道间转移卫星的最小能量方法,称之为霍曼转移,如下图,沿着地球公转的切线方向,利用地球公转的29.79公里/秒速度,只要额外给组合体2.95千米每秒的dV便可以完成从LEO到火星霍曼转移,在到达火星时,由于克服太阳引力,速度从一开始的32.73降为21.48公里/秒,虽然赶不上火星24.13公里/秒的公转速度,不过2.65公里速度差低于火星5公里/秒的逃逸速度,可以在火星着陆。
图5.最省力也是旅途漫长的霍曼转移轨道
霍曼转移轨道的最大优势在于到达此轨道所需的燃料较少,现有化学火箭便可完成!不过是慢车,去程达到259个**,大概8 个多月,而且由于不入绕火星轨道,任务风险大。事实上,你不得不考虑另外一个现实的问题---返回地球!由于火星和地球一直处在运动过程中,相对位置总在变化,必须在火星上等待火星和地球特定的相对位置,让返程花费的能量相对合理。如果来回都采用霍曼转移,对不起,你得在火星上待550天左右,再花259天回到地球,总任务时间达到1068天,刚好是3年。

实际的执行的任务往往采用速度增量稍大的优化版转移轨道,更适合货运,好比是你淘宝买了一个大件走物流,价格公道能够安全送达即可。对于宇航员来说,航行时间的长短,牵涉到生活必需品的消耗,也牵涉到宇航员心理问题、生理问题(钙质流失)、太空辐射问题。行星际空间的宇宙射线辐射对人类宇航员会造成长期的健康风险,大规模太阳风暴的风险甚至可能在几小时内杀死无保护的宇航员。因此必须创造条件以减少星际旅行时间,最大程度的保护宇航员免受辐射,也会最大限度地减少他们往返所需要携带的物资。
那么是不是可以用大力出奇迹的办法?在低地球轨道大脚踩油门,把速度增加到极限是否可行?如下图所示的快速转移轨道,在LEO给予组合体12.34公里/秒的速度,叠加地球公转速度合计达到42.12公里/秒的超高速,测算可以将到达火星的时间缩短到70天。然而在到达前需要大脚刹车,测算需要20.31公里/秒的速度增量,才能把组合体的速度从34.13公里/秒下降和偏转到与火星公转同步的线速度和方向。这无疑对于现有的化学火箭是一件特别艰难的任务,要知道突破海拔100公里高度的卡门线,仅仅是1.4公里/秒的速度增量已经把很多国家和企业拒之航天门外。
图6.暴力任性的70天快速转移轨道,然而需要巨大的速度增量开销
三、彻底缩短火星之旅,NEEDFOR SPEED,技术革新才是王道
     是否可以利用金星的引力弹弓?是否可以使用核热动力火箭?美国在上世纪60年代开发的核热动力火箭,比冲接近900秒,详见《并不是异想天开,热核动力火箭----无畏的先驱者》。很多科学家致力于研究更短的火星之旅,登月功臣冯∙布劳恩1969年描述了一个火星飞行任务,采用三个NERVA核热动力发动机,在火星地表进行80天科研,并利用金星引力加速回程之旅,但整个行程依旧长达640天。
当代也出现了高效的电推发动机,详见《太阳能电推进----静止轨道通信卫星瘦身减重治疗方案漫谈》,比冲达到了3000秒,但推力极低,在几百毫牛量级,只能用时间换空间去火星,但从地球缓慢旋转出来意味着在范艾伦辐射带中长时间滞留,这会给宇航员致命的辐射剂量,因此并不适合宇航员的火星之旅。这里要介绍借鉴核聚变的技术,降维碾压现有火箭推进技术的VASIMR发动机。
(一)借鉴核聚变,超级可变比冲发动机
VASIMR发动机全称是可变比冲磁等离子体发动机,由前NASA华裔宇航员张福林(Franklin R. Chang Diaz,哥斯达黎加人,祖籍广东)于1979年提出,基本原理是将等离子体温度加热到高达一千万度甚至更高,借鉴核聚变技术研究的衍生技术,利用磁镜约束场使炽热的等离子体与附近的材料表面隔开。再加上一个合适的磁喷嘴, 便可以把等离子体的能量转变为火箭的推力, 理论上估算等离子体的比冲达到3000-50000秒(出口速度达到30-500km/s), 相当于最好的化学火箭的60倍。
VASIMR包括3个相连的线性磁单元,前单元控制气体推进剂的喷射和离子化,中部的磁性单元作为一个放大器,进一步的把等离子体加热到磁喷嘴所需要的输入状态,后部的磁性单元担当了磁喷管的角色,将流体的热能转变为具有方向的射流,同时又保护喷嘴壁并将等离子体从磁场中有效的分离出来。在VASIMR工作的过程中,中性气体被射入到前部的磁性单元中,并在那里被离子化。所生成的等离子体随后在中部磁性单元中,通过射频和磁场的共同作用进行离子回旋共振加热,达到所需要的温度和密度,这时,所有的能量几乎都分布在径向方向上。磁喷管将等离子体的能量转变为射流速度和保证等离子体从磁场中有效脱离,输出经过调整的推力,将径向的能量转换到轴向方向上。
基于上述思想,VASIMR 由三个相连的磁级执行特定的相关功能,第一级主要注入气体工质,通常为氢、氘、氦、氩等,但其实各种工质在VASIMR高温下都不得不电离,所以不挑剔推进剂。螺旋天线产生高频无线电波加热气体,使其电离成为等离子体,下图标号为1~3。在离子化阶段产生的是螺旋波等离子体(Helicon Plasma)。螺旋波等离子体是一种高密度的低温低气压等离子体,具有非常高的等离子体密度,而且具有稳定、易操作及自动调节等优势。
第二级,也称为“射频增强器”,离子回旋共振加热级(ICRH) 使等离子体进一步加热,用作进一步激励等离子体的放大器。ICRH技术已广泛用于磁约束聚变研究,好比是一台超级微波炉,等离子体被磁线圈产生的磁场捕获,加热到1000万度。下图标号为4~5。
第三级是磁性喷嘴,下图标号6,把等离子体最终喷射到空间从而产生推力。
目前的高温超导材料技术日新月异,为整个VASIMR系统提升效能铺平了道路。
图7. VASIMR实验原型结构图
    VASIMR发动机特点一:不同于常规化学燃料火箭发动机,它只需要极少燃料,甚至相比较已经很高效的霍尔推进器还要更高效,使其使用更少推进剂即可执行相同的任务。
VASIMR的特点二在于可变推力!在恒定功率下可以改变推力和比冲,使得他有更大的灵活性,能有更多的机会改变飞行路线或者返回地球,这就好比是具有“加力燃烧室”的战斗机涡扇发动机:如果需要获得大的推力, 大部分功率将用于螺旋波等离子体源, 产生更多的低速离子,不过牺牲了离子出口速度;如果需要获得高比冲值, 更多的功率将送往离子回旋共振加热级, 等离子体的出口速度会提高,提升整体效率。
该发动机第三个特点是在整个推进过程中,等离子体被磁镜约束在发动机内部的磁场里面,大幅降低发动机耗损。
  另外如果使用氢作为推进剂,还可以产生对宇宙射线良好的隔离作用。同时氢也是宇宙中最丰富的元素,随着技术的不断发展,将来可以在太空中随时摄取氢,为VASIMR补给燃料,实现长途飞行。
  张福林博士在《VASIMR Human Mission to Mars》论文中进行了测算,如果给予20万千瓦的电能,供电设备的质量功率比(设备质量与发电功率的比值)优化到1千克/千瓦,VASIMR最快可以让宇航员在39天内到达火星,节省大量的燃料、食物、水、空气,宇航员也能摆脱长时间的宇宙射线辐射!甚至设计了一个在2033年的火星来回之旅,包含在火星36天的考察,来回仅需要150天。
图8. VASIMR可变的推力,优化了地球-火星转移轨道的推进剂消耗
(二)核能,必须核能
尽管VASIMR发动机在理论上可能实现航天器39天抵达火星,但凡事均有两面性,VASIMR需要电,大量的电用来加速推进剂!
是否可以用太阳能?基于当前技术,大型且可控的太阳能电池阵列可为电推进提供高达1千千瓦的功率,但过大的电池阵对航天器的构型、轨道保持和姿态控制设计等产生巨大挑战,目前国际空间站的太阳能电池也只能提供100KW的功率,而且这一结果是在地日距离下,太阳能在火星等以外区域将大幅衰减。展望未来,载人探索需要更高效和更快速的推进技术,笔者认为推进电能的提供非空间核反应堆电源莫属。
空间核反应堆电源(space nuclear reactor power)是在空间任务中将核反应堆产生的热能转换成电能为航天器供电的装置。与太阳能电池相比较,空间核反应堆电源的根本优点在于其为自主电源,不依赖于阳光且储能极高;适用功率范围广,可以覆盖千瓦至兆瓦及以上功率输出,质量功率比随功率增长而降低,可以有效满足航天任务日益增长的能源需求。随着空间技术的发展,大功率卫星、深空探测等都需要大功率、长寿命的空间能源相匹配,空间核反应堆电源将成为这些大功率航天器的优选能源。
而且祖布林在《赶往火星》一书里面提出了原位利用的概念,19世纪的法国化学家保罗·萨巴蒂尔(PaulSabatier)在1912年发现了使用二氧化碳生成甲烷的反应,在高温(300-400℃)和一定压力下,在催化剂(如:镍,钌或氧化铝)的协助下,CO2 +4H2 --> CH4 + 2H2O,这个反应又称萨巴蒂尔反应或甲烷化反应。火星大气层的主要成分是二氧化碳,根据之前NASA在火星发现水的证据,利用太阳能或者核能电解水产生氢(氧可以提供宇航员呼吸),与二氧化碳反映就可以生成甲烷用于返回低火星轨道的推进剂。因此完成飞行任务的空间堆送到火星地表的可以发挥余热,一物两用,较太阳能能够更稳定的提供电能满足各种任务需要。
美俄已成功将0.5~5 kWe的核反应堆电源送入了太空,目前正在研发千瓦至兆瓦、寿命超过10年的新型空间核反应堆电源。不过要指出的是,空间堆发电,无论是使用温差热电偶转换、直接热电转换的热离子堆,还是闭式布雷顿循环的高温气冷堆和斯特林循环等方式,都存在转换效能问题,目前转换效率在23%~35%左右,未来可能超过40%,但效能问题必然牵涉到空间散热问题。太空是高真空环境,没有对流,散热系统只能以热辐射的方式向深空进行热传递。因此,散热系统一方面需通过换热器将热量从核反应堆的循环系统中带走,另一方面需将热量传输扩展到大型辐射器上进行排散。随着核反应堆功率的增加,需要体积巨大且笨重的热管辐射散热器。据估算,散热系统的质量将达到反应堆质量的1~2倍之多,这需要更多给力的运载火箭运送到低地球轨道。下图为国外艺术家Nick Stevens设计的HOPE(希望号)行星际飞船,空间核反应堆给VASIMR供电,头部是核反应堆和屏蔽罩,巨大的热管辐射散热器面积达到3330平米,中间的支撑衍架走的电力电缆和冷却剂管路,尾部是推进剂舱和乘员舱。
图9.国外艺术家Nick Stevens设计的行星际飞船,空间核反应堆给VASI
四、VASIMR发展现状
张福林在2005年创办了阿德斯特拉火箭公司(Ad Astra Rocket Company),在NASA的支持下研发VASIMR发动机,从10kW的VX-10样机起步到功率为30kW的VX-30样机研制的进展,让美国宇航局认识到VASIMR能够比现代化学动力火箭更快地前往火星。在 2015年NASA授予其为期三年、价值900万美元合同,要求该发动机能在100千瓦下持续点火10秒或在50千瓦下持续点火1分钟,在2018年年中使发动机在100千瓦功率水平下持续点火100小时。目前最新的消息是在2017年底,该公司成功地积累了100小时的非连续大功率测试,氩气工质被加热到超过200万度。
图10. VASIMR在真空模拟环境喷射出高速等离子体,测试功率100kW
2018年5月25日加拿大航天局宣布为该公司提供了150万美元的资金,支持VX-200SSTM发动机2018年四季度进行的100小时连续高功率点火测试。目前并没有消息更新。
笔者认为VASIMR目前面临的难题不仅仅是耐久性,未来在提高推力和效率上还有很多工作可以做,但VASIMR的研制方向无疑是正确的。
       结尾从电影《阿凡达》展望未来。今年是电影《阿凡达》上映10周年纪念,都说这部片子的导演詹姆斯∙卡梅隆严谨,对电影的技术细节要求极为苛刻,聊聊这部科幻片在星际旅行中的一些前卫设想。
故事发生在潘多拉星球,一颗巨大的气体行星的“月球”,处在离地球最近的恒星----半人马座阿尔法星。不过距离也达到4.4光年。詹姆斯∙卡梅隆设想使用0.75倍光速的惊人速度奔向潘多拉星,靠的是开篇巨大的ISV(InterStellar Vehicle)Venture Star星际飞船,这艘飞船的推进系统有很多暗黑高科技!
图11. ISV Venture Star星际飞船
反物质引擎,ISV采用最极端的科技之一就是使用反物质引擎。反物质就是正常物质的镜像,正常原子由带正电荷的原子核构成,核外则是带负电荷的电子。但是,反物质的构成却完全相反,它们拥有带正电荷的电子和带负电荷的原子核。
反物质听上去很玄乎,但其实就在我们生活中!大家经常听到PET-CT,肿瘤病人常常使用的诊断方式,其实就是采用了电子的反物质----正电子核素为示踪剂,通过追踪湮灭产生的γ光子,快速获得从分子水平动态观察到代谢物或药物在人体内的生理生化变化,研究人体生理、生化、化学递质、受体乃至基因改变。
当正反物质相遇时,双方就会相互湮灭抵消,它们会转化为纯能量,正如阿尔伯特爱因斯坦着名的等式所预测的那样:E=mc^2。仅仅需要10毫克的反物质就可以在45天内将人类送到火星。但是,批量反物质是用粒子加速器制造的,即使产生极少量的反物质,也要花费大约巨大的资金。2000年9月18日,欧洲核子研究中心宣布他们已经成功制造出约5万个低能状态的反氢原子,这是人类首次在实验室条件下制造出大批量的反物质。不过反物质保存难。
ISV Venture Star有两台反物质发动机,工质是氢和反氢,反氢燃料被磁场高密度约束在真空环境,冷却到接近绝对零的温度;液氢则被贮存在巨大的球型贮箱中。当引擎启动时,反氢和氢湮灭释放出大量的能量,一部分加热氢工质电离,另外一部分转化为电能产生超强磁场加速、引导等离子体高速排出,这是比焊接电弧亮一百万倍的白热状态等离子体,长度超过三十公里。
这其实就是VASIMR发动机的技术概念!
那么您也可以分析出,题图这对烧红的翅膀,就是大量热能转换为电能过程中由于转换效率问题而必须的空间热管辐射散热器,按照剧情,飞船到达潘多拉星球前的大脚减速“刹车”,主推进装置关闭后,由于功率实在太大,空间热管辐射散热器会继续发光几周!
图12. ISV Venture Star星际飞船“烧红的翅膀”,依稀可见通红的热管
怎么样,艺术源于生活,高于生活.......
上期介绍了前卫的VASIMR发动机技术,另外还有空间核反应堆电源,可能有太多的新技术和新挑战,那么目前相对靠谱的设计方案有吗?根据NASA最新的火星任务设计参考架构(2009年出的5.0版本,后续再无更新),经过反复论证、权衡利弊,任务设计的中规中矩,为合点航行轨道,宇航员在火星上老老实实的等待火星和地球特定的相对位置,等上550天左右回家,任务总时长为914天(图1)。推进方面,拿出了核热动力火箭(图2,图太小,未翻译)、化学火箭(图3)两个方案,但NASA更倾向于核热动力火箭推进方案。该架构拟定的火星任务选择在2030年到2046年阶段实施,分三批勘测火星三个有代表性的区域,具体策略归纳起来有以下几个特点:
1、采用了人货分离、装备先行。任务的第一阶段,将通过至少7次大型运载火箭的密集发射,把载人火星任务的各个构件先送到低地球轨道,前两个最重要的任务构件----登陆火星飞船的下降舱/上升舱和火星地面栖息舱将将首先发射,并在低地球轨道通过交会和对接完成与地火转移推进创的组装。组合体在检查确认无误之后,将在低地球轨道上耐心的等待发射窗口打开,先于航天员发射前两年,选择速度增量较小的地球-火星转移轨道,耗时202天抵达火星后,组合体将进入一个高度椭圆形的火星轨道(250×33793公里)上。
2、由于不携带辎重,宇航员的火星之旅可以选择更快的地火转移轨道,将深空行星际旅行相关的危害降到最低。如果选择在2037年执行载人火星探测任务,速度增量达到5公里左右,6名航天员到达火星的旅程为174天,下降并着陆在火星的指定区域,利用火星大气制造宇航员返回上升级的推进剂。在火星地表,宇航员的停留时间为539天,返回地球的时间为201天,总任务持续时间为914天(图4)。
    整个任务涉及到发射800~1200吨的低地球载荷,从低地球轨道出发至返回的整个速度增量需要12~14公里/秒。



超超级loveovergold:火星任务设计参考架构5.0描述的策略和示例实施概念不应被视为探索火星的正式计划,而是为未来规划系统概念,技术开发和运行测试。其实目前仅仅为了LOP-G计划,NASA已经养不起波音SLS这个败家项目,更何况载人火星任务。
.阿蔡_CWZ:为什么要大椭圆轨道呢?有什么好处?
超超级loveovergold:回复@阿蔡_CWZ:这主要是为了返回地球的时候,上升舱和返回舱回合、达到火星逃逸速度花费的速度增量小一些。

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发表于 2019-3-27 23:00 来自手机 | 显示全部楼层
谢顿教授的个人板块

—— 来自 Xiaomi MI 6, Android 8.0.0上的 S1Next-鹅版 v2.1.2
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 楼主| 发表于 2019-3-28 07:33 | 显示全部楼层
亚瑟邓特 发表于 2019-3-27 23:00
谢顿教授的个人板块

—— 来自 Xiaomi MI 6, Android 8.0.0上的 S1Next-鹅版 v2.1.2 ...

纯粹是文史区没人来好不我隔几个礼拜发一次也都成这样
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发表于 2019-3-29 16:48 | 显示全部楼层
收藏收藏,办公室没法安心看,大概看了一下图片..回去慢慢品味(文科生看起来累TAT)
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 楼主| 发表于 2019-4-13 13:12 | 显示全部楼层
没有最邪恶,只有更邪恶--切洛梅的核动力登月火箭
有坑必填小特务-2


文字节选编译自俄《大众力学》杂志(Популярная механика),2009年第7期。

译者KGB1986,禁止商业转载,但可以非商业转载出去开脑洞。

切洛梅:“不要以为核火箭发动机只是米亚西舍夫同志的“狂暴”Buff,老夫作为脑洞魔界第一人早就在修习此功了,嚯嚯嚯,哈哈哈……”

УР-700运载火箭常规版的设计图:从“暴力美学”的角度来看,“联盟”运载火箭的密集喷管正统继承者只能是切洛梅的这款运载火箭,更密集、更给力、更邪恶。
今天是世界航天节,看之前的反馈,似乎大家对猎奇的、核动力的、炸了可能会引起严重后果的奇葩玩意更感兴趣,所以摘选一段苏联登月火箭方案的资料出来供大家一乐:假如苏联登月项目在扬格利和切洛梅手中,设计思路会发散到什么地步。

1969年2月到1972年11月,实验设计局-1的作品Н-1火箭进行了4次发射,但皆不成功。Н-1火箭与实验设计局-52火箭方案的最主要差别就在于使用了库茨涅佐夫设计局的液氧煤油发动机。为Н-1火箭第一级研制的НК-33发动机(在Н-1火箭上有30台,呈环形布置),在历经了苏联登月项目之后,如今仍在俄罗斯、美国和日本使用。而带有РО-31核火箭发动机的УР-700,则属于苏联登月方案中最奇异的设计。按照切洛梅的设想,在火箭的第三级使用核火箭发动机,能够大大的增加发射入轨的有效载荷质量。可以“举起”250吨载荷的火箭甚至可以用来进行月球基地的建设。不过使用过后的反应堆从天而降时,确实会让地面上的人们感到担忧。该超重型火箭以УР-500К火箭(也就是广为熟知的“质子”火箭)的部件为基础,在动力装置上,切洛梅与格鲁什科的设计局合作,研制了使用戊基(**)和庚基(偏二甲肼)燃料的强力发动机(但使用有毒性燃料,一直是苏联--俄罗斯不利用“质子”火箭进行载人飞船发射的原因之一)。所有可用于在发射场进行火箭组装的成品模块,其规格都被匹配为了4100毫米,并可使用铁路平台转运。这样就避免了在发射现场再进行“舾装”。

苏联超重型火箭对比图,中间为УР-700УР-700-ЛК700)常规版,发射重量4823吨,近地轨道运载能力151吨,向月球运载能力50吨。右边为УР-700核动力版本,发射重量4823吨,近地轨道运载能力230-250吨。

切洛梅--这位科罗廖夫永远的对手,在登月方案中也提出了设想对立的方案。早在1964年,在Н-1火箭的不成功发射前,切洛梅就建议进行考察,以研究使用УР-700火箭进行登月。当时火箭并没有造出来,但它可以在很短的期限内,在УР-500火箭的量产部件基础上快速研制而出。УР-700的运载量不仅可以超过Н-1火箭(Н-1火箭的最重型版本能够(理论上)向近地轨道发射85吨的载荷),也能够超越“土星”火箭。常规版本的УР-700可向轨道发射近150吨的载荷,而进一步深入改进的版本,包括第三级使用核火箭发动机的版本在内,则可向轨道发射达250吨的载荷。由于УР-500和火箭的模块尺寸统一(均为4100毫米),可避免从工厂车间运输至发射场期间出现问题,在现场也无需再进行焊接工作和其它复杂工序。

第三级使用核火箭发动机的УР-700版本,发射重量4823吨,近地轨道有效载荷230-250吨(高度200公里),达到第二宇宙速度有效载荷105-115吨。加注储备--**氧化剂2892吨,偏二甲胼燃料1092吨,氢+甲烷198吨(然后是火箭发动机数据,液体火箭发动机处640T X 1.03 X 9=5933T/686T X 3 =2058T;核火箭发动机40T X 7 =280T;核火箭发动机40+120T,这么说第二级也是核火箭发动机了?)。

作为对火箭的补充,切洛梅提出对登月飞船(被命名为 ЛК700)的独特构想。众所周知,“阿波罗”飞船本身并不着陆月球,而是留在在近月轨道上再派出着陆舱,科罗廖夫的设计也是按照这一方式进行的Л-3登月飞船设计。但ЛК700飞船却跳过近月轨道,打算采用直接着陆方式,在登月考察结束后,它仅在月球上留下着陆平台,然后就返回地球。

ЛК700登月飞船的着陆平台(模型样机),按构想它将直接留在月球上。

切洛梅的构思到底有没有为苏联登月寻找到捷径(更实惠、更加便捷的技术路线),历史的实践没有给出机会。尽管1968年9月,УР-700-ЛК700航天系统的初步设计已经完毕,出具了多卷文件,但甚至切洛梅本人都不同意制造运载火箭的全尺寸模型样机(顺带一提,那些到处流传的,说似乎由于切洛梅方案分散了资金,从而导致苏联登月项目失败的话是不实的)。

最终,УР-700火箭只制造了全尺寸模型,但它没有留存到今天。不过从档案照片和草案材料中我们还是可以想象苏联飞船在月球上的样子。

苏联设计的“星”月球舱(月面基地模块)


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 楼主| 发表于 2019-6-9 10:43 | 显示全部楼层

【阿B药丸】海自用舰B人设做宣传板

陷入中年危机的俄罗斯上面级火箭(下) 01.jpg
超超级loveovergold



​​导言:上期介绍了苏联/俄罗斯的BlockD上面级,在2010年之后出现的几期令人匪夷所思的故障,暴露了俄罗斯航天生产管理的严重问题。本期,把俄罗斯最后一款有代表性的上面级----微风进行介绍,通过16个月的3起事故的分析,结合上篇和中篇的案例,揭示目前俄罗斯航天生产管理出现的严重问题背后的原因。

一、只有做外贸,才能维持的了生活这样子
解体后的俄罗斯,此前依靠计划经济和军备竞赛拉动的军工装备需求不复存在,军工产业,包括高端的航空航天产业,陷入了没有订单、技术停滞的困境。同时激进的经济改革的休克疗法,导致大批军工企业和科研机构破产倒闭,员工失业甚至陷入赤贫。
在《陷入中年危机的俄罗斯上面级火箭(上)》讲到了1986年挑战者失事之后,商业发射一“箭”难求的机遇,接外贸单,积极自救是最佳方案。在美国的支持下,1993年4月15日俄罗斯赫鲁尼切夫公司(Khrunichev Enterprises,大股东)、能源公司(NPO Energia)和美国洛克希德公司(Lockheed Corporation,95年和马丁公司合并)建立合资公司(LKE, Lockheed Khrunichev EnergiaInternational),1995年重组成为国际发射服务公司(ILS),总部位于美国弗吉尼亚州雷斯顿市,负责运营质子号(Proton)运载火箭的商业发射服务。
由于报价比西方均价要低7.5%,质子迅速成为国际商业发射的主力军之一。然而,在进入国际发射业务几年之后,ILS意识到自20世纪60年代末以来基本冻结的质子火箭及其上面级,急需升级,才能满足体积和重量越来越大的大容量地球静止轨道通信卫星。

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Proton-K火箭,设计自20世纪60年代末以来基本冻结,廉颇老矣
对于质子火箭,制定了4个阶段的质子火箭升级计划,满足超6吨GTO的发射能力。其中的第一阶段开发新的数字飞行控制系统替换模拟系统,用RD-276发动机替换RD-253,Proton-M低地球轨道运送能力从20.7吨提升到22吨。

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质子火箭的4阶段升级方案
与此同时,对Block-DM上面级的升级换代工作也在进行中,大伙一致推选了天份极高的微风上面级。
二、微风不和煦,原为大杀器
一反苏联给自己大杀器起的雄壮名称,比如火神、能源、闪电、联盟、黑豹,这个上面级起名居然文绉绉----Breeze,微风,可能想植入四两拨千斤的概念!但其实微风K(Breeze-K)真实的身份是----卫星杀手,星球大战的产物!
(一)Breeze-K本来是用于消灭卫星
二十世纪八十年代初,作为对里根总统“星球大战”的回应,一个叫做纳瑞德“Naryad-V(Guard,卫士)”全新的反卫星系统出现在绘图板上,它是苏联全面升级反导弹防御盾牌的组成部分,也和切尔诺贝利核电站事故等事件一起,成为压垮苏联经济的最后几根稻草
考虑军事战备要求,纳瑞德系统利用了苏联当时最先进的洲际弹道导弹UR-100N作为载具。UR-100N于1975年启用,北约起名SS-19导弹(三棱匕首),切洛梅领导的OKB-52设计局设计,地下发射井发射,射程1万公里,该项目将其改造后的作为基础级,起名Rockot。
要跟踪卫星、拦截卫星,需要一个高度机动性的上面级,这就是Breeze-K的由来。Breeze-K被设计成用来释放一个或多个火箭动力的反卫星武器,能够拦截4万公里高空的卫星。Rockot/Breeze-K联袂的Naryad大杀器,在1990年11月20日从拜科努尔发射升空,第二次则于1991年12月在苏联解体前几天发射。两次任务均为亚轨道飞行,伪装成常规的弹道导弹测试。
测试的主要目的是验证微风K上面级,包括新的导航和控制系统是否能够满足空间卫星拦截的超精密需要,同时也验证了零重力环境下上面级发动机的多次点火能力展示了纳瑞德机动平台多次空间机动的能力。
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上图为Rockot/Breeze-K、1995年巴黎航展上的微风K上面级实体
Breeze-K是微风初代上面级,发动机S5.92,和Fregat采用同一种型号,对于这款发动机的介绍,可以看本篇上集。
(二)Breeze-KM----微风上面级的第一次变形
根据美国和俄罗斯于1993年1月3日签署的“第二阶段裁减战略武器条约”,俄罗斯仅被允许保留105枚UR-100N UTTKh洲际弹道导弹,65枚年富力强、正值壮年的导弹被要求退役,但其实改装导弹用于商业发射,比销毁这些导弹更实在!这就提供了将大量洲际弹道导弹转化为卫星运载火箭的背景之一。但UR-100N UTTKh导弹军转民,走向商业化有两个问题需要解决:
1、需要扩大载荷舱空间和相关的整流罩,满足潜在客户对于卫星发射的要求,原本削成锥体的上部外接了一个托体,让设备仓整个扩了一倍,而高度略有缩短,用来作为整流罩的承力平台,同时整流罩的长度和面积都扩大,容积增加到8.8立方米。
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2、在地下发射井发射,对于载荷有较大的声学震动影响,不能寄希望于商业卫星载荷,能够像毛子货一样结实!但是新建一个商用发射场对于当时刚刚解体的俄罗斯来说,太贵了,不得已,咬咬牙,在普列谢茨克改造了一个发射宇宙号火箭的发射架(133号发射场),用钢套管虚拟了一把地下发射井的氛围,成为世界上绝无仅有的“地上井”发射仅仅花费了3500万美元。
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世界上绝无仅有的“地上井”发射
改造于1995年立项,完成改造之后的Rokot/Breeze-KM,改叫轰鸣号(亦称呼啸、隆声号),于2000年5月16日在普列谢茨克完成处女飞,两颗铱星模拟载荷顺利升空。弹道导弹**箭项目成功,轰鸣号可以将质量为1950千克的有效载荷送入高度200千米、轨道倾角63度的近地轨道。
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Rokot/Breeze-KM现在由俄罗斯德国合资的EUROCKOT公司运营
三、Breeze-M----套娃,微风第二次变形,适配质子火箭
    为质子火箭新的上面级招标于1993~1994年进行,众望所归,选中了Breeze-M上面级。
(一)套娃设计----引入抛弃型外部辅助推进剂贮箱
Breeze-M上面级是从Breeze-KM变体衍生出来的,为了配合直径达到4.15米的粗壮的质子火箭,Breeze-K加了一个环形的外部推进剂贮箱。因此,整体由中央核心单元(Breeze-KM)和外部辅助推进剂贮箱组成。

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2.49米高的外部辅助推进剂贮箱内壁倒锥形,有助于在发射时,作为承力结构托举中央核心单元及其负载。
在飞行过程中,首先使用外部贮箱,大概在三次点火耗尽推进剂后,用火工品切断与核心级的燃料和电气连接,然后用分离弹簧抛弃空的外部辅助推进剂贮箱。
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Breeze-M,套进去,套进去!
(二)升级发动机
Breeze-M的整个推进系统使用**和偏二甲肼的双组元自燃推进剂。主发动机升级为S5.98,泵送式毒发,比冲328秒,可进行8次点火,推力约20kN,发动机有万向节悬挂系统,可以根据机载计算机指令进行摆动。

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Breeze-M的主发动机升级为S5.98,泵送式毒发,比冲328秒,可进行8次点火
Breeze-M配备了四个11D458M沉底推进器,推力392 N,用于主发动机启动前在失重环境中产生推背感,让推进剂沉底,便于挤压抽吸。配置了十二台17D58E推进器用于姿态控制,推力13.3 N。所有辅助推进器在中央核心单元的尾舱壁上分四组安装每组中有一个推进剂沉底推进器和三个姿态控制推进器。
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注意图中一个沉底和三个姿态控制推进器作为一个组合,一共4组
上面级,工作在接近真空的环境中,没有空气阻力,因此不修边幅,部分用于挤压推进剂的高压氦气罐直接挂在外面,比如中央核心单元底部两个和外部储罐不对称布置的四个氦气罐。
但中央核心单元有两个小罐,见下图中“F”high pressure tank,据称用于贮存发动机点火推进剂组元以及供给姿控系统,但未见有文献描述。
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“F”high pressure tank 贮存了什么?未见有文献描述。
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图中红色喷嘴的是4台沉底推进器;大罐为高压氦气罐,用来挤压推进剂
微风M上面级最近的升级是利用两个新的高压氦气罐(80升)替换六个储罐,并将仪器舱的布置移向中心,减轻抛弃外部辅助推进剂贮箱时的冲击。
(三)电子设备重新设计
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Breeze-K的电子设备和陀螺仪,分立元器件,跟不上时代要求
Breeze-K的电子设备显然太过陈旧,Breeze-M升级后的飞行控制系统包括一个机载计算机,一个三轴陀螺稳定平台和一个导航系统,升级后航空电子设备和电池都被重新设计为在真空中工作,安装在顶部的无压设备舱,不像上一代Breeze-K需要加压容器。

(四)改进效果明显
赫鲁尼切夫国家航天科研生产中心的礼炮设计局在1996年完成了Breeze-M的初步设计,一年后完成了一整套设计蓝图和多达10个后续发展原型。首发于1999年6月5日进行,但由于质子K火箭的第二级故障,未能施展身手。 2000年6月6日,进行了第二次试验,火箭成功地将Gorizo​​nt-45卫星送入预定的轨道。
Breeze-M的优势在于其非常紧凑的尺寸和长时间在太空中运行的能力。Breeze-M的高度只有2.6米,较Proton的老式BlockD的5.5米大大缩减。

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Proton-M火箭提供了4.35米和5.2米直径整流罩。Breeze-M扁平的身躯,让出更多的空间,净高7.65米,直径4.7米,适合大型通信卫星。
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Breeze-M加装的外部辅助推进剂贮箱可以装下14.6吨推进剂,携带的推进剂总量达到了19.92吨,包含13.26吨氧化剂**,和6.66吨偏二甲肼,最长飞行工作时间可以达到24小时(受到机载蓄电池容量限制),使得质子火箭能将3.2吨至3.5吨的有效载荷直送地球静止轨道,相比之下BlockD 仅能完成2.5吨;或将5.5吨至6吨以上的载荷送入地球静止轨道转移轨道。
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Breeze-M还设计作为安加拉运载火箭,包括安加拉-A3和安加拉-A5的上面级。

四、16个月内接踵而至的3次失败
2001年4月7日,升级之后的Proton-M火箭配合Breeze-M发射Ekran-M 4卫星成功!在2002年底,正式用于商业发射。到2005年左右,随着产量的扩大,Breeze-M取代了大部分质子火箭上的Block DM上面级。
一开始,微风M非常争气,连续发射13次成功,2006228日由于外来异物堵塞增压液压泵喷嘴,导致氧化剂供应系统的异常中断,第二次点火仅200秒之后停止工作,质子M-微风M发射Arabsat 4A卫星失败,计入偶发的事故吧!然而,从2011年8月18日开始,噩梦不断……
(一)时序参数出错----莫名其妙的Ekspress-AM4失联
Ekspress-AM4是俄罗斯卫星通信公司运营的一系列通信卫星中的最新型号,取代早期的Gorizo​​nt卫星,由欧洲宇航防务集团(后改名空客集团)制造,发射重达5.7吨,它带有63个转发器,是该公司容量最大,功能最强大的卫星。
04.jpg
2011年8月18日,用质子M-微风M发射Express-AM4通信卫星,悲剧出现在微风M第四次点火之后突然失联,Ekspress-AM4 被送到了一个错误的轨道,远地点20294公里,近地点995公里,轨道倾角51.23度。但卫星上3吨推进剂也不足以自行变轨到GEO,此次发射完全失败,卫星被受控重返地球大气层。
国际发射服务公司组建了失败审查监督委员会(FROB)进行调查。微风M在第三次点火完成之后,按计划抛弃了外部燃料贮箱。调查人员对外部燃料贮箱的轨道进行分析,得出的结论是,在第三次机动中,上面级已经未按预定的方向,出现飞行轨道的倾斜,惯性坐标系丢失,俯仰误差持续恶化。在第四次点火后,上面级的遥测变得不稳定,无线电信号一直变弱,直到进入通信范围12分钟后完全失去联系。
后续分析飞行程序,重建整个飞行时序,进一步的调查发现,上面级用于三轴稳定的陀螺平台进入稳定工作状态需要一定的时间,但在时序安排上,分配了错误的、过短的时长,因此上面级无法保持正确的姿态控制。
居然是软件参数错误!在NASA《Estimating Flight Software Risk for a Space Launch Vehicle(评估航天运载器的飞行软件风险)》一文中,该案例入选当代9大飞行软件错误事故。

(二)第二次,制造不合规,微风发射Telkom 3 / Ekspress-MD 2 双星失败
质子M /微风M火箭于2012年8月6日拜科努尔再次发射升空,搭载1,140公斤俄罗斯Ekspress -MD2通信卫星和1,903公斤的印度尼西亚通信卫星Telkom-3。然而,在微风M上面级总计4次点火的第三次点火后,仅工作了7秒就罢工。把两个卫星留在了267×5,010km×49.9°的错误轨道。
9月12日,国际发射服务公司发布了新闻稿,经调查认为这起事故是由不是按照规格制造的加压系统部件引起的,导致计划的18分钟零5秒的第三次点火,仅持续7秒钟。
所有质子M发射都暂停!!!所有微风M上面级都被召回!!!俄罗斯国家委员会和赫鲁尼切夫国家航天科研生产中心编制了微风M上面级纠正行动计划,包括对赫鲁尼切夫国家航天科研生产中心和拜科努尔两处,设计返工程序、测试、辅助设备和人员进行严格的质量监督。此外,国际发射服务公司和赫鲁尼切夫国家航天科研生产中心将制定具体措施,建立统一的质量管理体系(QMS)。
一年内微风M连续两次出事故!如果加上2011年11月8日天顶2发射的福布斯-土壤(Phobos-Grunt)探测器任务失败,这一年多已经是第三次事故!这些事件这引发了有关俄罗斯航天业危机的讨论,梅德韦杰夫坦承,由于频繁的发射失败,我们正在失去权力和数十亿卢布。梅德韦杰夫于2012年8月14日主持了专题会议,普京参与了关于航天机构改革的讨论。
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普京与Roscosmos主席弗拉基米尔波波夫金(右)和德米特里罗戈津(左)在2012年8月航天工业问题会议上
2012年9月3日赫鲁尼切夫总干事弗拉季斯拉夫·涅斯捷罗夫被普京解职。
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时任俄罗斯总理普京(左)和赫鲁尼切夫中心主任弗拉季斯拉夫·涅斯捷罗夫于2009年3月在赫鲁尼切夫航天中心举行会议。
这还没有完,2012年10月16日,微风M上面级由于没有实施有效的推进剂钝化(国际准则要求将用剩的推进器排入太空,避免后续可能的爆炸),在轨道上爆炸,形成80个大的碎片,这些都是恐怖的卫星杀手!
(三)16个月内微风M第三次事故----设计留下的隐患让Yamal402减寿四年
2012年12月8日,质子M-微风M发射4.5吨重的Yamal 402卫星,在入轨过程中,微风M上面级提前4分钟关机,卫星进入了错误的轨道,原计划7,470×35,696 km×9°的GTO,变成了3095×35,678 km×26°度的GTO轨道。调整倾角非常耗费推进剂,后续卫星通过自带推进剂入轨成功,但寿命从15年缩减到11年。
2013年2月13日,国际发射服务公司公布了事故原因,调查显示:微风M上面级主发动机在第三次启动时,受到了以热流为主的多种不利因素影响,S5.98发动机氧化剂泵入口处聚集了大量气体,这些气体是汽化的**,氧化剂泵出现了飞车,导致轴承超速旋转,而轴承又得不到液态工质的有效冷却,最终在第四次点火工作期间,提前4分钟关机。
在我们赞美微风上面级紧凑、低矮的构型的同时,要注意到凡事均有利有弊,微风上面级的主发动机是嵌在了贮箱内,高密度的架构节省了几何尺寸和重量,但带来了风险。
下图中,S5.98 (14D30)发动机与储罐和管道非常接近,其工作产生的热辐射将加热周围部件,首当其冲的是周围的贮箱。用紫色标注的是燃料,偏二甲肼,沸点63°C;用橙色是该发动机的氧化剂**,其沸点仅为21.69 °C微风M通过增加14.6吨贮存能力的外部辅助推进剂贮箱,发动机工作时长大幅度拉长,突破了原本的热控设计预设目标,会让中央核心单元氧化剂贮箱在热辐射中暴露更长的时间,即便相差了那么1~2摄氏度,也会让状态完全改变!因此在抛弃外部辅助推进剂贮箱,使用核心单元贮箱推进剂工作的第四次点火过程中,出现了意外。

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微风上面级的主发动机是嵌在了贮箱内!
国际发射服务公司宣布制定了微风上面级热管理的后续要求,增加冗余度,避免再次出现同类故障。
接二连三的航天事故,不少外国媒体惊呼:俄罗斯航天距离崩溃仅有一步之遥……
截至2018年3月28日,微风上面级一共发射了128次,合计失败/部分失败12次,其中5次为基础级火箭的事故,7次上面级事故中3次部分失败。
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五、曾经撑起发射市场半边天,2010年后各种事故背后的原因
我从来不怀疑俄罗斯这个伟大的民族,想一想二战期间的应急动员能力!
在解体之后,俄罗斯工程技术人员,充分发挥了创造力和工程实现能力,并实现飞控系统的数字化,使得Fregat、Block D、Breeze三款上面级迅速迭代升级,满足大容量通信卫星等商业发射的新要求,渡过了艰难的岁月!
即便出现了类似于Yamal 402通信卫星发射部分失败的个别案例,是由于简单迭**虑未周全,但这种做法解决了生存问题!而且在本世纪初起的10年,保持了不错的发射成功率,份额逐步提升,在巅峰的2010年前后,占了世界商业发射市场超50%的份额!
然而,微风M集中出现的多次发射失败/部分失败,让众人怀疑这款上面级不可靠性;Block DM-03推进剂加注乌龙,另外2010年以来多起涉及质子M的火箭故障,包含角速度仪接反这种匪夷所思的低级错误,已经严重损害了俄罗斯在商业航天领域声誉和竞争力。
笔者就目前俄罗斯航天现状的原因做一个粗浅的分析,整体上来说,受困于体制、规划、管理、人才、市场等方面因素,说几个重点:
(一)航天产业,技术人才青黄不接
在1991年解体的时候,俄罗斯航天行业核心管理人才和技术专家在40岁左右,到了2010年,20年之后,这些人已经到了退休的年龄(俄罗斯男60,女55岁退休),专家步入高龄化。根据外媒一份2013年的统计,俄罗斯航天行业的工人平均年龄约为45岁,拥有博士学位的平均年龄约为60岁。
然而俄罗斯航天新一代员工队伍,却没有起来,更不要说有马斯克一样的年轻企业家领袖!
西南政*法%大学经济学院制度经济研究所的刘云研究员专题研究了这个课题,他指出,俄罗斯人才青黄不接的深层次原因是其原本强大的工科教育体系的崩溃,以及各界不重视科技人才培养。
苏联时期是个崇尚技术与知识的时代,科学家、工程师社会地位很高。科学家、工程师自然是俄罗斯人最向往的职业之一,各大学的理工科专业可以招收到最优秀的学生,进而培养世界一流水平的科学家、工程师。这是苏联成为科技、工业强国的人才基础。但目前俄罗斯的科技氛围没以前浓厚,年轻人对于最新科学技术的热情也大不如前。最近20年来,该国热衷于研发高新科学技术的年轻人越来越少。据称,该国42%的民众认为国家公务员是“最具吸引力的职业”。俄罗斯愈演愈烈的“公务员热”直接导致一些高等院校“国家管理”和“公共事务管理”等与公务员相关文科专业的火爆。”有统计显示,俄许多地区高等院校中与公务员有关联的文科专业报考比例高达1:160,足见俄罗斯青年青睐可能在毕业后更容易成为公务员的文科专业。而且,政府最近几年在航空航天产业投入了大量资金支持其发展,但这些费用大都投给了新的研发项目,而投入到人才培养上的资金相对不足,因此2010年开始,管理问题、人才断层问题导致质量问题凸显。
(二)管理跟不上,执行力沦为空谈
老一代的管理人员、专家、前辈的离开,带走的是一种精气神,带走的是一种文化!然而断档之后,俄罗斯“市场经济条件”下的航天现代企业制度的建立并不成功。
现代产权经济学创始人阿尔钦,与德姆塞茨在 1972年合著《生产、信息费用与经济组织》。文章认为, 企业本质是一种团队生产方式,最终产出物是一种共同努力结果, 每个成员的贡献不可能精确进行分解和观测,准确度量一个成员的付出是不可能的!
由于无法按每个人真实贡献去支付报酬, 因此就有会有员工偷懒、钻空子、作风马虎随便等问题,团队成员缺乏努力工作的积极性,执行力就会挂在单位墙壁的流程、制度和标语上。
为避免出现偷懒打马虎眼问题, 就需要有人专门监督,这就是一个企业中管理人员产生的原因。为了使监督有效, 需要给监督者积极性, 即给监督者一定的剩余索取权,给监督者更大的积极性!这也是国有企业改革长期争论的焦点问题。
航天行业,也不例外,美国洛克希德臭鼬工厂的十四条“金科玉律”,最后一条,写着:参与项目的核心管理人员、技术人员按照绩效进行奖励,不允许官僚主义滋生,不吃大锅饭。
我相信俄罗斯老牌航天企业,对于质检,有完整的流程和制度,但从Block DM-03推进剂加注乌龙,包含角速度仪接反等几期匪夷所思的低级错误(详见《陷入中年危机的俄罗斯上面级火箭(中)》),暴露出在新型号定型、新员工上岗技能鉴定、验证确认等环节,管理岗执行不到位,一线的技术人员按自己的理解在作业,诸多的管理漏洞!这些管理漏洞的背后,是管理者意愿淡薄、管理能力差、管理不作为。
笔者从事管理工作十多年,对此深有感悟。其实,一个在方向指导上有失误的管理者,玩忽职守的管理者,不作为的管理者,造成的危害,远大于个别不在状态的一线员工。俄罗斯航天企业管理团队出现的问题,和绩效考核体系的维度设计、考核力度有关系。

(三)事故调查有点走过场的感觉
我在南航读本科的时候,到图书馆,最喜欢看的是一本内部期刊是《飞行事故调查与分析》,第一次了解了海恩法则,他指出:每一起严重事故的背后,必然有29次轻微事故和300起未遂先兆以及1000起事故隐患。法则强调两点,一是事故的发生是量的积累的结果;二是再好的技术,再完美的规章,在实际操作层面,会因为操作人员的素质和责任心出现偏差,需要从管理上进行有效教育培训、防控。
但俄罗斯每次事故调查,过程短,一般都是花费1~2个月,匆匆忙忙,可能是发射任务重吧。从失败审查监督委员会(FROB)言辞表达上来看,好像试图掩盖什么,均归咎于一些鸡毛蒜皮的原因。
严管就是厚爱!如果,对存在的问题,尤其是管理上的,不去正视,回避正视,何谈去改进?单纯从事后进行处分追责,撤他三遍职,也不顶用。一个真正的管理者,应该是分析问题,预防问题发生,未雨绸缪。

(四)看不见的杀手----航天系统软件质量控制问题
以往的事故,归类为设计问题、生产制造工艺问题居多,但最近几期事故,如上集讲到的2017年11月28日联盟号-Fregat火箭的导航软件程序错误,2011年8月18日质子M-微风M发射Express-AM4通信卫星的时序软件参数设置错误,揭示了航天质量管理的薄弱点----软件质量问题。
此类问题相对隐蔽,哪怕对于老牌的阿里安空间公司最近也翻船!2018年1月5日阿里安5型运载火箭发射时,发射方位角应为90°,而调查发现,实际飞行的方位角被错误的装订成了70°,终结了阿里安5运载火箭超过十五年、连续82发发射连续成功的记录。
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火箭失联20分钟后,阿里安空间公司CEOStephane Israel坦诚表示本次发射出现异常。
必须对航天软件引起的问题,予以警觉。软件研制,不同于硬件生产,硬件生产质量控制是要制造成千上万合乎规格的单元,而软件研制是要获得一个能够完成工作的特定单元。软件质量控制不能生搬硬套硬件的质量管理办法。而且软件运行还牵涉到软硬件相互作用,导致其失效模式和运行环境等存在特殊性。
因此软件质量测试需要引起更多重视,解决测试人员的配置和组织、技术方案选择、测试规程、测试充分性、可用的测试工具和软硬件环境等测试工程和技术管理。

     笔者认为,2000~2010俄罗斯商业航天发射的黄金10年,事实上应该未雨绸缪,规划很多事情,比如
1、质子、联盟等火箭生产企业整合,大力推进绩效改革,减员增效,提高产业薪酬水平,留住人才,搭建梯队,基业长青;
2、 引入外部质量监督力量,搞点国际航空航天AS9100质量认证,借机提升质量管理水平;
3、在产品研发上,加快环保型安加拉火箭研发替代质子;有点钱了,把停顿多时的KVRB液氢液氧低温上面级下决心研发出来。
然而,从结果看,上述工作并没有有效推进。人无远虑,必有近忧!
六、然而内忧外患,举步维艰,俄罗斯能否重振航天大国雄风?
屡次发生事故,卫星发射保险公司纷纷提高保费,鉴于此,国际发射服务公司不得不下调发射服务费用保持竞争力。但各卫星运营商对俄罗斯运载器可靠性的普遍担忧,纷纷把发射服务合同交给了其他发射公司,因为同时期,俄罗斯的竞争对手没有放慢脚步,美国商业航天正致力于减少提升成本和开发强大的商业火箭。在渡过巅峰的2010年之后,俄罗斯的商业发射份额每况愈下!详见下图的灰色部分,黄色的为四国合资的海上发射公司。
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2000~2017商业航天发射数量统计
如果,仔细查看上图,你会发现,蓝色,代表美国发射的次数,在13年之后显著上升,尤其是在2017年,份额突破了60%,谁?SpaceX为代表的美国商业航天发射!一次次FALCON 9的完美发射升空,和越来越成熟的一级回收,形成了非常大的反差。
在NASA的操盘下,以降低成本和提高成效为目标,美国商业航天蓬勃发展,而且卓有成效!SpaceX的鲶鱼效应,让商业发射的利润率与20年前相比大幅缩水,要想从中赚大钱已经不可能了,这迫使莫斯科采取激进措施改革航天业:
(一)俄罗斯的航天领域第一次体制改革
解体后的俄罗斯航天业实施了私有化,莫斯科仅保留了部分所有权。在事故频发之后,促使莫斯科重新将该行业置于严密监督和控制之下,这实质上与美国的做法背道而驰。
2013年9月4日,也就是质子M低级错误事故发生两个月,俄罗斯副总理德米特里·罗高津(Dmitri Rogozin)宣布了重整计划细节:建立一个国有股份公司,由俄罗斯航天局管理!俄罗斯联合火箭航天公司(URSC)于2014年正式成立,一年之内33家大型科研生产联合体等企业,几乎整个俄罗斯航天工业,被高度集中到这个公司。2014年11月该公司提高了航天业员工的工资,试图阻止人才流失,目前大约1万美元的年薪。但即便如此,但2014年和2015年事故还是不断。
(二)第二次改革造成的政企不分
2016年1月1日,刚成立的URSC与俄罗斯航天局(Roscosmos)进一步合并,俄罗斯航天国家集团公司诞生了!换句话说,俄罗斯把制定政策和宏观管控的政府航天部门与具体负责研制生产的国有航天企业合并在一起,合并后的实体名称还用Roscosmos,跟之前的航天局名称一样,进一步试图把国家的意志直达工业生产部门。
巨无霸,政企不分,监管和执行一手包办,职能和生产混搭,裁判和运动员合二为一!
很多人不看好!至少从目前跌跌不休的市场份额,以及近期几起事故,并不能说很成功!而从2017年11月28日联盟号-Fregat火箭发射19颗卫星的事故原因公布情况来看,更为含糊、闪烁其词、护短,毕竟,自己打自己脸,不明智啊!
同时,在新组建的国有独资巨无霸,也没有明确混改等资本多元化方向,俄罗斯私人资本进入难;国家级垄断下,私营航天企业想发展,更成未知数。

后记:
本文,从俄罗斯上面级火箭的发展和后续事故调查,用该视角分析俄罗斯航天业。当下,迫切需要挽回俄罗斯航天发射声誉!作为危机应对,俄罗斯采用了宏观上的,大统一的、自上而下机构改革,试图有效提升执行力。但市场有市场的规律,企业有企业内在的管理科学和运营要求,是不是也同步,换个切入点,重心下移,帮扶建立企业内在的科学管理体系,明确职责、各司其职、监督执行、正本清源……
希望俄罗斯航天业,遇到中年危机之后,能有不惑!
本人才疏学浅,如有不当,欢迎指导,欢迎拍砖。


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发表于 2019-6-9 22:38 | 显示全部楼层
真好看
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发表于 2019-7-22 18:27 | 显示全部楼层
不错的科普帖子,但显然没人看。收藏慢慢看吧。

但粗略的找了找,没找到能说服我7米分辨率下的两个像元就能确凿是某个物体的科普。

别人质疑就是巨魔,这不是一个有科学态度的人的思维。
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发表于 2019-7-31 15:25 | 显示全部楼层
煌煌巨文
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发表于 2019-8-4 20:27 | 显示全部楼层
众所周知,微信公众号里讲军事的公众号非常多,但大多数是扯谈洗稿居多,靠谱的非常少

不过专门讲航天科技的公众号就不多,而且不少是非常牛逼的,一般看法就是航天科技这块来源获取非常难,研究水平要求高,非一般营销公司雇来人员的处理能力所及

这几年最有名航天号非“小火箭”邢强博士所属,外野的基本都认识。
我今天介绍的是“理念世界的影子”这个公众号
,他家最近正在连载阿波罗登月背后深度细节分析。让人看得非常过瘾
举个例子:
洞穴之外|随着阿波罗飞翔3.1---阿波罗计划的管理
https://mp.weixin.qq.com/s/MYy-YFPbpF03hcdSExfTog
洞穴之外|美国航天强大在什么地方?
https://mp.weixin.qq.com/s/BxBTUWjdj0joqg0fK41jcA
洞穴之外|随着阿波罗飞翔4.1---用时间在茫茫宇宙中找到自己的位置
https://mp.weixin.qq.com/s/BTYNhcBPWs4_0cNrKV2lKg

都写的生动翔实又不枯燥,看完之后就对一帮“思”而不学则殆的登月阴谋论者非常嗤之以鼻咯



PS,实际上“航天爱好者”这公众号最直接,凡事里面转载的作者都非常牛逼,值得一看
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 楼主| 发表于 2020-4-14 20:26 | 显示全部楼层
摄动平衡中寻得宁静致远——小记冻结轨道
超超级loveovergold

​​前言:“...卫星被准确送入近地点738公里、远地点750公里、倾角98.5度的太阳同步轨道...”不少人犯嘀咕,近地点和远地点总是有偏差,为什么就不能打个漂漂亮亮的标准圆轨?殊不知,这细小的偏差是刻意而打的小偏心率轨道,本期介绍一种在摄动中寻得宁静致远的实用卫星轨道——冻结轨道。
       采用太阳同步轨道的卫星能利用较为稳定的太阳入射条件,在相同光照条件下重复观察地面目标,这似乎是非常完美的解决方案!可高性能的测地卫星要求在不同时间通过同一地区时的高度尽可能不变,但卫星椭圆轨道的长轴(又称拱线)会因为摄动在轨道面内旋转,卫星通过同一纬度地区时的高度会有几十公里高程变化。
        对卫星高度进行轨道机动修正显然是非常费神烧钱的手段,因此获得的遥感数据就需要根据卫星星历进行大量的高度补偿和几何修正等后期处理工作,这对于地形测绘、海洋勘测等高精度要求的卫星观测项目来说变成了拦路虎,本期介绍目前应用广泛的冻结轨道,这种轨道拱线方向固定、偏心率小,卫星飞越等纬度地区上空的高度如一,对于测地等进行垂直剖面的科学测量非常有利,常被用于大气探测卫星、海洋卫星、陆地卫星等。
图1. 椭圆轨道拱线旋转造成卫星通过同一纬度地区时的高度会有几十公里高程变化        说起这个冻结轨道的起因要回溯到1972年,当年美国国家航空航天局(NASA)启动了Seasat卫星(海洋卫星,下简称海卫)项目,这是第一颗专门用于海洋观测的多传感器卫星,收集有关海风,海面温度,浪高,海洋地形,大气水含量和海冰形态和动力学的数据,是第一颗运用星载合成孔径雷达技术(SAR)的海洋勘测卫星(详见http://wx2《看天线,识卫星----漫谈卫星天线(三)》)。海卫卫星依靠合成孔径雷达成像,分辨率达到25米;依靠高精度雷达测高仪测绘,星下点海浪测高精度达到±10cm,为了提高测绘精度,最大程度地减少轨道扰动的影响,使仪器的数据质量最大化,NASA在卫星项目书上列了很多约束条件,对卫星运行轨道提出了很高的要求,要求轨道高度要求控制在858公里~761公里区间内,高度变动控制±50米/秒,要求偏心率越小越好。这个开拓性的海卫项目交给了JPL(喷气推进实验室)具体负责,项目组中有一位非常能干的专家伊利奥特·卡廷(ElliottCutting),顺便说一句,就是这位卡廷在1965年敏锐的捕捉到引力弹弓技术,并慧眼识才、穿针引线促成了旅行者号的行星之旅计划,1974年获得NASA卓越服务奖章,这是NASA排名第二的高规格荣誉。在海卫项目中,卡廷带领他的团队开展了攻坚。卡廷带领的小组认为解决这个问题的方案有两个方向,一是能否找到一股神奇的力量,把椭圆的拱线固定不变,固化近地点辐角;二是减小椭圆的偏心率,尽可能接近圆形并维持不变。从数学角度定义这两个目标即为:近地点辐角(升交点到近地点的地心张角)对时间变化为零,偏心率对时间变化为零。基于勃劳威尔(Dirk Brouwer)在1959年发表的《Solution of the problem of artificial satellite theorywithout drag》中的轨道力学摄动理论,考虑地球非球形摄动的一阶、二阶项,即J 2和J 3项,J 2表征地球的扁率,常称为地球扁率摄动,是地球非球形的主要摄动,J 3项则反映地球南北不对称,地球呈梨形,北极地区约高出18.9米,南极地区则凹陷24~30米,把摄动函数代入拉格朗日摄动方程,要达到拱线和偏心率固定,下述两式要为0!
公式中R为地球半径,n为卫星平均角速度, a为轨道半长轴,i为倾角,e为偏心率,ω为近地点辐角。先简化问题,仅考虑J2项,令J3=0,dω/dt方括号内等于1,de/dt=0,冻结轨道存在条件简化为1-5(sini)^2/4=0,即上式标红部分,可以得出轨道倾角等于63.4或116.6,这个倾角即为临界倾角轨道,也就是大家熟悉的闪电轨道或莫尔尼亚(Molniya)轨道,在
http://wx2《太阳同步轨道,倾角总在98度处》
文章中讲到苏联的“闪电”号通信卫星倾角选择了大偏心率临界倾角轨道,避免了椭圆轨道拱线漂移,卫星远地点始终在苏联领土上空,加之卫星在远地点的速度最小,故可以在较高的高度运行较长的时间 ,保持苏联国内较长的通信时间。不过要补充一句,闪电轨道面存在进动,并不是严格意义上的“静止”,在苏联没有合适的大型运载火箭发射地球静止轨道通信卫星时,就一直采用3颗闪电通信卫星实现高纬度地区通信,可以说是低配版的静止轨道通信解决方案。肩负极地冰层覆盖普查的近地轨道海卫卫星显然不能采用临界倾角,因为阿拉斯加北部海湾的纬度达到72度,超过了63.4度的倾角,所以近地轨道要实现对全球有效测量不能选择这种特定倾角方案。那么联合考虑地球扁率J 2和J 3的叠加摄动影响,如果ω=90°或者270°,cosω为0,下式de/dt=0,再令上式方括号蓝色部分为0,对于1000公里以下的近地轨道,把ω=90°代入并忽略偏心率的高阶小量,可以得到
       也就是说当偏心率、倾角和轨道半长轴成一定关系,这个轨道的拱线偏心率就能固定,而不像闪电轨道需要特定的临界倾角。而且通过计算,偏心率在千分之几的范围,能非常好的满足海卫卫星的任务需求,另外冻结轨道是动力学方程的一个稳定平衡解,偏心率和近地点幅角的长期变化项为零,一旦轨道调整到这种轨道标称值附近,后续拱线将在一个较小范围内振荡,不需要进行主动控制。卡廷把这种轨道命名为冻结轨道(FrozenOrbit),并把整个推导过程详详细细的记录下来,这17页的报告《Missiondesign for Seasat-A, an oceanographic satellite》于1977年在AIAA发表。
图2.海卫项目成为卫星海洋学的先驱1978年6月26日,海卫-1卫星从加利福尼亚州VAFB(范登堡空军基地)发射进入倾角=108º,远地点= 799 km,近地点= 775 km,周期= 101分钟的轨道,这是第一颗采用“冻结轨道”的卫星,轨道的近地点保持在90度时,卫星飞越同一纬度地区上空的高度如一。任务初期非常顺利,入轨10天后SAR系统即启用,但后续由于电源系统短路,海卫-1在轨运行仅105天后即退服。不过它已对地球表面多达1亿平方千米的面积进行了全天候测绘,收集的海洋测高数据比过去一百年依靠船只研究获得的信息更多,海卫项目成为卫星海洋学的先驱。
图3.1978年8月27日的Seasat合成孔径雷达图像显示了马萨诸塞州的海岸实践证明冻结轨道的概念是成功的,后续美国 在1985年 3月 I2日发射的一颗海洋测高卫星GEOSAT充分借鉴。由于海洋测绘任务设定的需要,海卫-1和GEOSAT这两颗雷达星设定108度倾角,在800公里高度是无法选择太阳同步轨道。但事实上,太阳同步轨道合理处理倾角、偏心率和半长轴之间的关系,同样可以达到冻结的效果,并且兼顾回归特性。LANDSAT系列光学地球资源卫星进行了太阳同步轨道+冻结轨道的尝试,希望对得到的遥感光学图像的几何校正工作降至最小。LANDSAT-5为了进入冻结轨道可以说是志在必得,精心设计了入轨方案:1、轨道负偏置,入轨做加法:实际发射任务中,运载火箭受到各种因素影响,不会一步到位把卫星直接送入准确的目标轨道,需要卫星通过自身发动机来进行入轨和后续的轨道调整维持。而火箭如果把卫星射高了,卫星还需要180度掉头减速才能降低轨道高度。LANDSAT-5入轨方案稳妥保守,仅要求运载火箭把卫星送入离目标冻结轨道低约12公里的初始轨道,即初轨的半长轴留了12公里的负偏置,后续自己来,依靠卫星多次点火加速,提升轨道并精确入轨。2、8次点火,推力校准精确入轨:计划实施8次点火,初期小步快跑,200米为单位提升轨道半长轴,并校准推力系数,后续6次较长时间的点火满足精确入轨和与LANDSAT-4卫星工作周期的调相,两颗卫星轨道相位相差180度,黑白两班倒负责对地球24小时观测。        这个策略稳扎稳打,LANDSAT-5于1984年3月1日从范登堡空军基地发射,从3月7日到4月4日,LANDSAT-5通过8次点火升轨操作,准确进入太阳同步冻结轨道,并和LANDSAT-4联袂,昼夜不停实现8天对全球的观测。在这次发射中,德尔他3920火箭给卫星倾角一个正偏置,满足未来18个月中,太阳、月亮引力对卫星倾角的摄动影响。Landsat-5卫星超长服役,一直工作到2013年,整整30年所获影像是迄今为止在全球应用最为广泛、成效最为显著的地球资源卫星遥感信息源之一,这当中冻结轨道对于减轻遥感数据的后期处理发挥了不小的作用。后续,欧洲的地球观测卫星ERS-1,ERS-2和Envisat也选择了太阳同步冻结轨道。
      尽管卡廷在论文中写的冻结轨道方程看上去简单,但如果仔细计算,按照论文中的公式,冻结轨道的偏心率为0.001,但最终给出的结论是0.0008,差异幅度达到20%。事实上,最早由库克(G. E. Cook)在1966年进行的分析,仅考虑地球重力场J 2和J 3两项并不能准确计算冻结偏心率,对于倾角为50到130度的轨道,考虑J 2~J 21带谐项计算得到的冻结偏心率要比仅考虑J 2和J 3两项低约20%,这背后的推导相当复杂,但论文中并没有展开,如果没有吃透冻结轨道的精髓后果不堪设想。国内不少学者在上世纪80年代及时开展了跟踪研究,其中南京大学刘林教授和北京空间飞行器总体设计部的杨维廉研究院深入研究了这种轨道的存在条件、特征、稳定性和应用并发表了多篇论文。

图4.左为南大刘林教授(1936~),右为现任中国空间技术研究院轨道设计师杨维廉研究员       两位老前辈辛勤工作,开展的大量基础研究为后续国内突破冻结轨道技术立下了汗马功劳,1999年10月14日我国发射地球资源卫星“资源一号”01星,这是我国第一颗实时传输型对地遥感卫星,在国内首次突破了太阳同步回归冻结轨道控制技术,其入轨策略和美国LANDSAT-5可以说是英雄所见略同,初轨34km负偏置、5组7次轨道机动策略获得了极高的太阳同步回归冻结轨道入轨精度,卫星沿不同轨迹通过同一纬度时的高度只有百米量级的变化,另外保留倾角正偏差节省10公斤推进剂。“资源一号”01 星的首发成功被两院院士评为1999 年中国十大科技进展之一,达到了国际先进水平。

       事实上冻结轨道是各种常谐项平衡的结果,即偶次带谐项引起的近地点辐角的长期摄动被奇次带谐项引起的长周期摄动所平衡,这句话如同上述公式一样,会让读者感觉轨道力学的高深和晦涩......航天确实非常难,但要感谢刘林和杨维廉两位老师,他们不仅在学术上是领军人,而且还编写了大量的教材,为国家培养了很多轨道力学人才,桃李满天下。两位专家的步伐并未就此停止,他们的目光转向了深空探测,研究在地外行星是否存在满足测绘需要的冻结轨道,刘林老师在2003年6月发表了《关于大行星(或月球)轨道器的冻结轨道》,杨维廉担任了嫦娥一号卫星轨道设计师,培养了团队并发现了在极月轨道附近存在圆形的冻结轨道,2011年5月发表《火星卫星的冻结轨道研究》,这些基础理论研究成果的发表,让我们值得期待今年我国在火星探测项目上的跨越式迈进!

参考:1.Cutting, E., Born, G. H.,Frautnick, J. C., McLaughlin, W. L., Neilson, R. A., and Thielen, J. A.: 1977,“Mission design for Seasat-A, an oceanographic satellite,” AIAA Paper no 77–31.2. 杨维廉,资源一号卫星轨道:理论与实践,航天器工程2001年3月刊
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 楼主| 发表于 2020-4-14 20:37 | 显示全部楼层
比肩阿波罗13号抢险——拯救天空实验室行动纪实(上)

超超级loveovergold

​​导语:天空实验室在人类航天史上昙花一现,论运行时间和到访的宇航员数量都不能和苏联和平号太空站和当今的国际空间站媲美,但天空实验室作为美国首个空间站,其灾难片方式的登台亮相引发了精彩的太空抢修,专家、工程师、宇航员凭着聪明才智和顽强毅力挽救了这项耗资25亿美元的计划。
        在眼巴巴的看着美国登月成功之后,1971年4月19日苏联发射了世界上第一个空间站“礼炮1号”。冷战对手的举世瞩目又一次让NASA奋起直追,计划发射一个更大,更好的太空站超越苏联。一、“争气”空间站
       其实美国在太空计划发展初期就开始研究空间站的概念,包括冯·布劳恩构思的巨大的、甜甜圈式的空间站等,土星火箭在1960年代中期成熟时,务实的天空实验室(Skylab)项目应运而生,通过利旧阿波罗登月项目的装备来实现宇航员在地球轨道上的长时间停留,证明人类可以在太空中长期生活和工作,并使我们对太阳的了解远超出基于地球的观测范围。由于阿波罗18到20任务的取消,NASA多出三枚土星5号火箭,于是天空实验室拿到了准生证。天空实验室由四部分组成:

图1. 非常精美的天空实验室结构示意图,不忍粗暴汉化(一)轨道工作站(OrbitalWorkshop ,OWS):工作站是由土星5号运载火箭的第三级改装而来,直径为6.7米,长度为14.6米,是宇航员主要的工作和生活舱室,包含厨房、洗浴设施、厕所、运动器材和许多科学实验设备。两个9米宽的大型太阳能帆板为该站提供了12.4千瓦的电力,发射的时候太阳能帆板像鸟的翅膀一样收拢,到太空之后像手风琴一样展开。需要打一个伏笔的是,轨道工作站的桶体周边有一圈微陨石防护罩(MICROMETEOROID SHIELD),一是防止陨石及空间碎片造成的损害,另外也是一层隔热外衣,发射到太空之后,16个扭力杆顶开这圈防护罩从而略微展开,让防护罩的内部和工作站壁之间形成一个真空夹层,两边覆盖的金箔反射层形成和热水瓶类似的绝热层隔热,保持室温为15.6~20℃,给宇航员提供舒适的环境。
(二)气闸舱(AirlockModule,AM):宇航员穿上宇航服通过气闸舱隔离过渡,出舱实施太空行走。
(三)多重对接适配舱(MultipleDocking Adapter,MDA):包括阿波罗飞船的主用和备用对接端口。(四)阿波罗望远镜(ApolloTelescope Mount,ATM):阿波罗望远镜包含用于观测太阳的望远镜,可以拍摄太阳的紫外光线和X射线等,望远镜配置了用于获取额外电能的四个可展开太阳能帆板阵列。
        阿波罗登月计划的遗产——阿波罗飞船,包括指令舱/服务舱负责运送宇航员往返于空间站和地面。天空实验室是当时太空中史无前例的研究实验室,她包含各学科研究的科学设备,进行生物医学和生命科学、地球观测、太阳天文学和材料加工等,计划了270个实验,可以说美国是憋了口气搞空间站。
        另外天空实验室也是第一个使用控制力矩陀螺(CMG)的大型航天器,高速旋转的陀螺由于转子的角动量,有抗拒方向改变的趋向,脾气“倔强”,控制力矩陀螺通过调整高速旋转转子的旋转轴的方向,对外输出控制力矩,调整航天器的姿态,可以提供“洪荒之力”,配合传统姿态控制发动机能保持空间站的三轴稳定,确保观测设备的精确指向性。每个控制力矩陀螺直径为21英寸,转子重70.3千克,每分钟旋转约8950转,这些鼻祖级的设计和创新也为后续空间站设计打下了基础。
图2. 三个方向各配一个控制力矩陀螺二、土星5号完美谢幕之后坏消息接踵而至
       由于有力大无穷的土星5号火箭,77吨重的天空实验室只需要一次发射,无需多次发射后实施复杂的太空组装。1973年5月14日升空十分钟后,天空实验室进入了预定的436公里低地球轨道,这也是太空征程中土星五号最后一次飞行任务,完美谢幕。负责运送Skylab2机组宇航员的土星IB火箭则计划在次日发射升空。

图3. 难得一见的两枚土星火箭待命发射
        接下来的半小时内一系列指令将使天空实验室迅速进入工作状态!首先冰箱在打开散热器后开始工作,冷藏很多宇航员的食品补给;接下来4片载荷导流罩顺利脱离,天空实验室主管不禁回想起双子座9A号“愤怒的鳄鱼”的故障,松了一口气(这个另外开篇再讲);然后阿波罗望远镜支架顺利翻转90度露出对接口,此举为阿波罗飞船后续的对接扫清了道路。数分钟之内,望远镜上的四个太阳能帆板像荷兰风车一样打开,同时天空实验室姿态调整,望远镜指向了太阳。

图4. 阿波罗望远镜的翻转设计挖掘了整流罩最大的空间利用效能
        到目前为止,只有一个奇怪的迹象,来自休斯敦的报告称微陨石防护罩过早展开,大家普遍是遥测信号出错。在望远镜支架顺利翻转后,大家开始悠闲的等待天空实验室的太阳能电池板在发射之后41分钟展开。升空约半小时后,休斯顿的飞行主任报告说除了微陨石防护罩监测信号不正常,工作站太阳能电池板发出的遥测信号也不稳定。奇怪了,一开始以为天空实验室已超出马德里测控站的范围,短时间不稳定无需大惊小怪,然而当收到澳大利亚卡纳冯(Carnarvon)测控站的消息时,大家顿感紧张,因为信息令人十分困惑:一个遥测信号表明太阳能帆板已经部分展开,而温度信号则表明两个太阳能帆板都不见了,但是太阳能帆板没有产生预期电压让这事情不妙!
        来自加州金石站和马德里站的信息证实了最糟糕的预期,太阳能电池板遇到麻烦了,天空实验室损失近一半的电力,只能依靠望远镜上的太阳能帆板提供5千瓦的可用功率救急,如果对接后加上阿波罗服务舱的燃料电池20天内额外提供1.2千瓦的发电量,情况还不是太坏,也不太有人担心微陨石防护罩的损失,毕竟陨石体撞击属于小概率事件。
        与此同时土星5号火箭的工程师在分析飞行数据中发现升空后约一分钟,在火箭达到最大动压之前的横向加速度异常,数据暗示发生了一些结构故障。大家忧心忡忡之时,工作站温度开始升高,在几个小时内许多外部传感器的读数超过了82°C,这是最大读数刻度,内部温度则升至38°C以上。有证据表明微陨石防护罩已经不见了,其第二功能即热控功能的损失逐渐显现......
        如果失去微陨石防护罩,工作站壁直面炙热的阳光,使其内部无法居住。根据热力学模型,工程师预测工作站外部的温度将高达165°C,内部的温度将高达77°C,这都快把吃的烤熟了,哪怕罐头食品或者脱水食品;医疗用品的初步预测也很悲观,62种药物中估计有一半可能被毁,用于地球资源相机的胶卷上的感光乳液会在低湿度下变干;工程师还担心天空实验室铝制壳体内部绝热用的聚氨酯泡沫,它在150°C时会散发出一氧化碳、氰化氢和甲苯二异氰酸酯,最后一个是最危险的,在低浓度也会致命,尽管生产商麦道公司的测试表明工作站内有毒气体的浓度不至于造成危险,但工作站还是放了四遍气,
如果航天员首次进入,将戴上呼吸面具并对空气进行采样以确保安全。鉴于该情况,第一个决策很快出来了,原计划次日运送第一批宇航员的土星IB发射被推迟5天。
         天空实验室团队不断收到坏消息,工程师恨不得把天空实验室带回地面进行维修。当然这是不可能的,仅有一条路——在太空尝试维修!三、紧急动员,对“烤箱”见招拆招
           马歇尔航天中心(MSFC)和约翰逊航天中心(JSC)的专家、工程师和宇航员开始24小时排班工作以应对各种紧急情况,两个太空航天中心的工程师和宇航员开始绞尽脑汁研究遮阳方案冷却空间站,以及宇航员对太阳能帆板的抢修方案,他们的工作时间延长到每天16-18小时,马歇尔航天中心在亨茨维尔的工作人员总数从400人猛增到600人。
(一)“高烧”和“低体温症”带来的影响不可小觑
         为了最大程度地利用阿波罗望远镜的太阳能电池阵列发电,最好的姿势是对准太阳直射,但这会让工作站“发高烧”;相反让太阳光以小于90°的角度照射空间站,其热负荷会降低,但这个努力也会让发电量急剧下降。电力状况虽然令人不安,还不是最大的问题,当务之急是令工作站的温度快速降低!
       约翰逊航天中心在休斯顿的任务控制专家拿出了一个折衷方案,通过调整空间站的姿态,让太阳光以45°左右斜射,在优化用电量的同时最大程度地减少太阳光线对空间站的直射,工程师于是关闭了加热器和不必要的无线电发射器,功率需求降低至3千瓦,这一努力让工作站的温度下降到54°C。

图5. 天空实验室侧身躲避阳光直射,注意气闸室缺少光照
       热控在航天界似乎属于非主流,边缘专业,不过对于载人航天来说至关重要。发射后出现的高温可能会破坏所有非冷冻食品,项目管理员甚至考虑过空间站进行补给,万幸的是温度降至54°C后,测试表明在该温度下,罐头食品可质保至少两周,脱水食品会稍长。5月22日休斯敦的专家得出结论,认为空间站上的食物还能吃,取消了补给计划。
        设备在高温下也受不了,一共有九个速率陀螺仪用作姿态控制的基本传感器,每个轴三台,连续在高温下工作的陀螺仪过热,产生错误的参数让控制力矩陀螺产生过载。无法信任高烧的陀螺仪,工程师想出了一个变通的办法,通过读取工作站两侧的温度来估算侧倾姿态,通过太阳能机翼的电力输出确定俯仰角并进行姿态调整。
        具有讽刺意味的是,虽然工作站很多方面都受到“高烧”的影响,但气闸舱却得了“低体温症”!由于躲在阴影下缺少光照同时被关了加热器,18日气闸舱降至4°C以下,这影响到了空间站上金贵的宇航服的可靠性!为保证宇航员在太空行走有凉爽体感,其温度控制是通过宇航员贴身内胆的水冷软管降温,这些冷却水通过宇航服脐带和气闸室热交换器换热。如果气闸室低于零度,水结冰膨胀则可能引发脐带系统中的管线结冰、主冷却剂回路连接处的热交换器破裂,后果不堪设想。工程师挤出电力用加热器加热气闸舱,但气闸的温度持续下降,在21日接近冰冻。不得已通过姿态调整使气闸舱暴露在更多的阳光下,该机动使气闸舱变暖但也使工作站温度飙升……反反复复,控制人员精疲力竭。
        地面控制员在发射后第二周对空间站进行了一系列姿态调整,试图平衡温度和发电功率,保持在尽可能合理范围内防止对空间站更大的破坏。但这些计划外频繁调整空间站姿态的轨道机动消耗了大量的姿态控制冷气,头三天压缩氮气以惊人的速度消耗,到5月17日已经消耗量23%,为预期两倍。24日由于电力需求过大,阿波罗望远镜舱中的18个电池中有8个因为得不到及时的充电出现暂时退服。当务之急是在工作站恶化到无法恢复之前派宇航员检修和降温,否则这个天空实验室只有报废一条死路。
(二)十天内反复论证拿出“遮阳伞”
        马歇尔航天中心和约翰逊航天中心的专家集思广益开始研究隔热方案,事故发生后的一周内收到了数十个创意,从喷反光漆、贴墙纸到放置硕大的遮**球、百叶窗式遮阳窗帘等。一方面,并不是所有暴露的表面都需要保护,只要能够对工作站有效遮阳即可。其次,由于空间中没有风,因此遮阳材料不需要严格固定,材质也可以轻便,但其尺寸必须足够小以便于阿波罗指令舱带上天并能从狭小的舱门取出。从最初的讨论中,出现了三个有前途的解决方案:1、简配方案:将遮阳伞直接穿过工作站科学气闸布放。天空实验室的工作站提供了两个科学气闸,一个朝着太阳即太阳气闸,另一个朝相反的方向即背太阳气闸,每个科学气闸约20厘米见方,可以将一些科学仪器直接置入太空环境开展科学研究,无需出舱行动。科学气闸提供了最简单的操作,问题在于如何找到一种设计可以让这把遮阳伞穿过20平方厘米的开口,然后扩展到覆盖几十平方米的面积?

图6. 撑起太空遮阳伞的简便方案约翰逊航天中心的技术服务部因在短期内能提供应急设备享有盛誉,设计师杰克·金兹勒(JackKinzler)在天空实验室事故的次日就开始设计解决方案,在评估指令舱的运载遮阳伞的尺寸和重量之后,他倾向于使用科学气闸。5月16日金兹勒的灵感逐渐成形,4根可伸缩的钓鱼竿作为伞骨,用系绳启动,当钓鱼杆伸展并锁定在水平位置即形成光滑的遮阳伞。随后将弹簧、伞骨、遮阳伞紧凑的装在约等于气闸罐大小的容器中的演示迅速得到了支持,17日NASA的飞行主任克里斯·卡夫(ChrisKraft,也就是发现吉恩·克兰兹的伯乐)将大部分资源集中在了遮阳伞上,由于气闸偏离遮挡区域中心, 金兹勒将伞骨四臂长度增加到6.5米。

图7. 金兹勒设计了可穿过20平方厘米的开口的遮阳伞方案,右为科学气闸2、高配方案:马歇尔航天中心的亨茨维尔团队担心简配方案中的气闸可能会被破损线缆缠绕堵塞,提出了“双杆方案”。
双子星座9A的喷气背包实验失败后,阿波罗时代的宇航员服就再未考虑空间机动能力,执行太空行走任务宇航员只能靠抓、靠扶,天空实验室的宇航服是从阿波罗计划中简化而来,通过脐带在太空行走期间提供生命支持,在太空行走方面依旧缺乏主动控制能力。由于天空实验室工作站舱外并未安装扶手,因此该方案利用望远镜支架作为支撑点,步步为营,宇航员出舱后拼装两根长杆“挑”着遮阳帘的一个角靠在工作站尾部,然后把两根杆子固定在望远镜底座支架(下图红色标注),最后宇航员把遮阳帘的缩帆线(下图蓝色标注)固定到望远镜的侧边支架从而展开遮阳帘,简称双杆方案。这种方案涉及到舱外作业活动,需要事先进行反复的模拟训练,时间安排上很紧张。

图8. 双杆方案的具体实施图3、折中方案:约翰逊航天中心其他专家担心宇航员太空行走的实际能力,倾向于阿波罗飞船实施机动,宇航员站在指令舱舱门上完成抢修任务,也就是站立式舱外作业活动(Stand-upExtravehicular Activity,SEVA)。该作业首先将遮阳帘安装在工作站的尾部一侧,飞船横向机动移动到尾部另一侧,固定遮阳帘的下部的第二个角,然后指令舱再前移固定遮阳帘的上部,达到遮蔽效果。这种遮阳帘被简称为SEVA帆。

图9. 从上到下分别为简配方案、高配方案和折中方案5月19日在内部讨论会上首先排除了SEVA帆方案,该方案操作难度大而且阿波罗飞船姿态控制发动机的羽流可能会污染望远镜及其太阳能帆板。医疗团队的代表认为宇航员在任务初期可能因为失重状态产生晕船的情况,需要时间适应,因此不希望在宇航员在这次紧迫的抢修任务中着急的实施太空行走强调使用科学气闸布放遮阳伞是“宇航员最直接也是最简单的操作”。内部讨论会议确定了遮阳伞方案为首选,双杆方案作为备选。由于生产遮阳材料需要时间,Skylab-2机组宇航员的发射被再次推迟了5天。

图10.在休斯敦进行遮阳方案论证
       双杆方案小组也在与时间赛跑,V型布置的双杆每根17米长,由11个互锁短杆组成,类似于折叠导盲杖。在中性浮力模拟器中的测试发现了一些问题,主要是杆子在应力作用下可能会无法绷直,工程师迅速修改了锁紧螺母,在孔眼中放入聚四氟乙烯嵌件以减少摩擦,宇航员在水箱中顺利展开两根杆子,并用长杆铺设“遮阳帘”(演练用渔网代替),最后固定索帆线,形成一个7.3  x 6.7米的隔热帘,该方案顺利通过了评审。

图11. 宇航员在中性浮力模拟器以望远镜支架作为支点布置V型双杆
        所谓好事多磨,完成了最佳方案选择又遇到另一个难点——遮阳材料的研制!需要耐热、轻巧、紧凑、可展开、无污染而且在较宽温度范围内稳定,凭借阿波罗计划的成熟经验,这似乎是个相对简单的设计,然而事实证明这是一场噩梦!
        金兹勒设计的遮阳伞选择了由尼龙织物、聚酯薄膜和铝组成的太空服材料,厚度小于0.1毫米,符合各项要求,但尼龙在紫外线下有明显的劣化趋势,事故发生几天后的测试发现尼龙在真空中经过100小时的测试,会失去一半的拉伸强度,其他的研究显示在这种情况下敷铝薄膜的热屏蔽性能以及强度均下降。
       可以通过在尼龙上涂保护涂层来减少劣化,但这会显著增加材料的厚度!对于双杆方案和SEVA帆来说,它们的容器有剩余空间不受影响,但金兹勒的遮阳伞却必须紧紧地装在一个20厘米见方的小容器中,涂层不仅增加遮阳材料的厚度,而且释放时也更困难。

图12.真的一点空间都没有了!
        对于这个问题,金兹勒团队的思路非常清晰:如果这个遮阳伞性能下降,那么就等第二批宇航员更换,又不是不能用,现在要赶时间!5月23日,也就是发射前两天,在亨茨维尔进行的设计认证审查会上,天空实验室项目的高级主管同意保留遮阳伞作为首选,前提条件是用上尼龙保护涂层,这几乎是给遮阳伞方案判了死刑!金兹勒团队尝试对遮阳伞采用贴耐紫外线胶带kapton(聚酰亚胺薄膜)的方案也因为厚度太大失败,士气一下子跌落到低点。
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 楼主| 发表于 2020-4-14 20:46 | 显示全部楼层
比肩阿波罗13号抢险——拯救天空实验室行动纪实(下)
超超级loveovergold
导语:在上期《比肩阿波罗13号抢险——拯救天空实验室行动纪实(上)》讲到金兹勒团队尝试对遮阳伞采用贴耐紫外线胶带kapton(聚酰亚胺薄膜)的方案也因为厚度太大失败,士气一下子跌落到低点,不过马上迎来了转机......        
事情又有了转机,赶时间喷涂保护涂层的方案遇到了麻烦!5月23日晚工作人员开始尝试喷涂SEVA帆,由于油漆中的杂质需要漫长的过滤过程,并且烘干工序要比预期的长。到24日上午,尚不确定SEVA帆是否会在发射前及时干燥。在肯尼迪航天中心的最终审查中,两害相权取其轻、先解决有无问题并分步实施的思路被认可,大多数材料专家预估尼龙至少可坚持28天,不带保护涂层的7.3  x 6.7米遮阳伞被重新确认为首选方案;为防止遮阳伞出现恶化迹象,将派第二批宇航员部署双杆方案。        缝纫女工加班加点生产,遮阳伞在5月24日差不多最后一刻被放入了阿波罗飞船的指令舱!

图13.缝纫女工加班加点生产,遮阳伞在5月24日差不多最后一刻被放入了指令舱(三)为太空应急抢修队准备装备
        天空实验室后续能否正常运作,恢复电力供应也是关键!宇航员携带便携式太阳能帆板上天的方案可以考虑,但时间上来不及。而遥测信号表明,有一侧太阳能帆板的电池阵列还能产生微弱的功率,虽然仅有25瓦但推测微陨石防护罩的残留物束缚了这个太阳能帆板的展开,还可以抢救一下。
       马歇尔航天中心辅助设备科负责开发工具以清除碎屑,工程师在亨茨维尔五金店采购了高空修枝拉线剪琢磨灵感,然后联系了密苏里州负责给电力公司提供工具的专业制造商A.B.Chance Company设计并制造了拉线电缆剪,经过修改可安装在数米长的延长杆上。5月22日这些工具进行了全真模拟测试,在中性浮力模拟器水箱中的天空实验室模型上缠绕了电线、扭曲的螺栓和微陨石防护罩的碎片,Skylab2任务的三名宇航员轮流在水池里操控工具并展开太阳能帆板。方案审查小组评估认为方案可行,但尖头的电缆剪有危险需要修改,当时这些工具已经快递到肯尼迪航天中心,制造商定制了钝头电缆剪并火速赶往发射场进行了更换。

图14.拯救天空实验室的功勋拉线钝头电缆剪五、紧张惊险刺激的太空抢修

       指令长康拉德(PeteConrad)和保罗·魏茨(PaulWeitz)、约瑟夫·凯文(JosephKerwin)三人组成的Skylab2机组带着遮阳伞和最后一刻赶制出来的备用SEVA帆,于1973年5月25日从肯尼迪航天中心的39B发射台成功发射升空,六个小时后顺利抵达天空实验室,绕飞检查发现与预期非常接近。“一个太阳能帆板被完全扯掉。”康拉德报告说:“另一个太阳能帆板已部分展开,但被一个凸起的微陨石防护罩碎片从下方缠绕包裹......灼热的阳光使工作站外部的金箔变黑。不过令人欣喜的是,科学气闸(也就是下图白框处的小方口)周边几乎没有碎片,遮阳伞可以顺利撑开!
图15. 令人欣喜的是,左边白框处的科学气闸周边几乎没有碎片
       康拉德乐观地认为机组人员可以在站立式太空行走中释放太阳能帆板!康拉德负责操控飞船,魏茨负责展开太阳能帆板,凯文则负责固定住他的腿。缠绕住太阳能帆板横梁上的金属碎片条仅有一厘米宽,但微陨石防护罩被撕裂时,巨大的外力把金属条上的螺钉扎到太阳能帆板横梁铝蒙皮上。魏茨组装了4.5米杆长的电缆剪尝试剪断这个金属碎片,但他明显感到通过几米长的绳子拉剪相当无力,不得已只能用力拉拽,力的作用是相互的,指令舱开始危险的靠近天空实验室,负责操控的康拉德必须使用姿态控制发动机与之保持安全距离,这种拖拉天空实验室的行为激活了天空实验室的姿态自动调节机制,她启动了姿控发动机以恢复姿态,一场别开生面的太空拔河比赛开始!然而金属条实在太顽固,40分钟的站立式太空行走中魏茨竭尽全力拉拽也无济于事,抱住他腿的凯文也是累得不行。沮丧的宇航员只能和天空实验室先进行对接,在连续7次失败之后,终于和天空实验室对接在一起,结束了他们长达22小时的连续工作。

图16. 注意上图黑色的金属条, 巨大的外力把金属条上的螺钉扎到太阳能帆板横梁铝蒙皮        尽管遇到了第一天的麻烦,但NASA对展开遮阳伞保持乐观。宇航员于26日中午进入工作站,在那里遇到了54摄氏度热浪的“热烈欢迎”,魏茨报告说“像沙漠一样又干又热”。万幸的是经过检测并没有有毒气体,随后宇航员便迅速开展遮阳伞的部署。宇航员花了2个小时组装,遮阳伞筒被推入科学气闸,延长杆展开把遮阳伞顶出舱外9.9米,折叠后的伞骨成功展开伞面,再把延长杆拉回让伞面紧贴工作站(8英寸)。虽然伞面的褶皱导致仅覆盖了其预定区域的三分之二,但效果“立竿见影”,舱内温度开始迅速下降,三天后稳定在26°C附近,大约比预期高了约5°C,可以忍受!望远镜上的4块太阳能帆板终于能够对准太阳发电,太阳观测和地球资源勘测等活动正常展开,天空实验室终于开始全面运营!金兹勒也因为发明遮阳伞的获得NASA颁发的杰出服务勋章。
        由于缺电制约了后续各项科研活动,宇航员接下来将注意力转移到了展开太阳能帆板。自Skylab-2发射次日起,地面团队就一直在琢磨太阳能帆板,通过模糊的电视图像结合宇航员的描述,到29日地面团队已对卡住的帆板有了全面的了解,既然金属条碎片这么坚固,行,那就委屈这个碎片,钳住它用作扶手杆的支撑点!接下来的四天地面团队制定了一个有难度但可行的方案:宇航员出舱行走移动到望远镜支架,将八米延长杆的电缆剪钳住金属条碎片作为固定点,另一名宇航员扶着这个杆子移动至太阳能帆板侧,首先用一根两头带钩的尼龙绳连接太阳能帆板横梁和望远镜支架,然后清除金属条碎片,如果太阳能帆板横梁铰链处的液力阻尼器卡死,两名宇航员拉动尼龙绳使其就范。6月2日,地面的替补宇航员已在中性浮力模拟器成功模拟了该方案。

图17. 地面团队制定了一个有难度但可行的方案
        地面团队的抢修方案被批准了, 宇航员在工作站内穿着宇航服进行了演练。6月7日,宇航员康拉德和凯文出舱,康拉德将六根1.5米的杆子拧在一起,9米长的杆头部安装了电缆剪并把SEVA帆上的绳索作为电缆剪拉绳,凯文一手扶着衍架,另一手单手操控杆子瞄准8米外的一厘米宽的金属条准备钳住它。这波操作在地面也不容易,穿着厚重的宇航服在没有支撑点的失重环境困难重重,犹如在太空给针穿线!好几次凯文一只手握着杆把剪刀钳口逼近金属条,但当他抽动另一个手准备拉绳咬紧钳口时,杆子移动钳口跑偏!(这里请读者思考为什么很多地面上轻而易举的动作在失重环境下变的意想不到的艰难)半小时过去了,凯文极度紧张,脉搏达到150条/分钟,仍未完成任务。凯文最后放手一搏,用绳子几乎是把自己绑在天线衍架上作为支撑,然后双手操作,瞄准、钳住金属条连贯作业,十分钟之后终于钳住了金属条!
       凯文用力扯了拉绳试图剪断金属条,金属条依旧表示不服。按预定方案,康拉德扶着杆子爬到了太阳能帆板处,精诚所至,金石为开,就在这个时候金属条终于屈服——断了!砰的一下,太阳能帆板羞羞答答的打开了20度!宇航员的努力终于有成效,要不是宇航服脐带拴着,康拉德会被弹起的太阳能帆板扔进太空。        太阳能帆板的铰链由于阻尼器卡死仍无法正常展开,凯文在另一侧系紧绳子,康拉德把尼龙绳一端钩住太阳能帆板横梁上的孔,弯腰捡起绳索套肩膀上,然后起身用力绷直绳子……这一力拔山兮气盖世的“太空举重”终于让太阳能帆板铰链松动并完全打开到90度位置,两位宇航员高兴的被巨大的反作用力抛向太空……

图18. 艺术家Paul Fjeld描绘的宇航员康拉德的“太空举重”
        成功了!天空实验室内部的电表的指针急剧跳动,完全展开的太阳能帆板产生了7千瓦的电能,天空实验室满血复活!!! 康拉德和凯文在执行任务3小时25分钟后返回舱内,这是当时最长的太空行走。这次成功的修复使的NASA可以从容自信地执行天空实验室计划的其余部分,就获得的研究结果的数量和质量而言,它们远远超出了之前的预期。

图19. 离开时Skylab 2宇航员拍到了自己的杰作:撑起的遮阳伞和释放的太阳能帆板        三名宇航员后续开展一系列科学实验,到6月18日Skylab -2机组在太空停留的时间已经打破了1971年苏联礼炮号空间站24天的记录。1973年6月22日3名宇航员重返地球,NASA局长詹姆斯·弗莱彻(JamesFletcher)对机组人员和整个航天应急团队给予了高度评价。
六、彻底修复
         遮阳伞的尼龙织物被紫外线劣化的隐患犹如达摩克里斯之剑悬在天空实验室头上,1973年7月28日阿伦·比恩(AlanL. Bean)的欧文·加里奥特(OwenK. Garriott)和杰克·洛斯玛(JackR. Lousma)从肯尼迪航天中心发射升空,架设新的双杆遮阳帘彻底修复故障,有了上次的经验,这次带了固定脚的专用设备,便于宇航员在太空抢修使力。
        之前医疗团队的担心一语成谶,三名宇航员在进入空间站后都出现了太空晕船症状,原定于7月31日计划的太空行走推迟到8月6日。加里奥特组装了两根杆,每个杆由11个5英尺长的互锁杆组成,完成后将它们递给洛斯玛,洛斯玛挑着遮阳帘的各一个角靠在工作站尾部,然后把两根杆子固定在望远镜底座支架,最后宇航员把遮阳帘的拉绳固定到望远镜的侧边支架,绷直展开了7.3  x 6.7米的遮阳帘,遮阳帘完全覆盖了工作站,内部温度几乎立即下降到舒适的范围内。

图20. 艺术家描绘的第二次修复场景,准确描绘了两层遮阳材料
       宇航员兴奋之余又更换了阿波罗望远镜的胶卷盒,长达6小时的31分钟的太空行走创下了当时的记录。

图21. 太空实拍彻底治好高烧的天空实验室
        那么在整个太空维修过程中,NASA深深感受到缺少喷气背包带来的太空行走局限性,作为技术演示,洛斯玛在工作站宽敞的空间内测试了宇航员机动装置(AMU,AstronautManeuvering Unit),这种喷气背包可使宇航员在航天器外实现自由的、不需要系绳的太空行走。这是后续航天飞机卫星维修任务中使用的喷气背包的前身,1984年2月在航天飞机STS4IB任务中惊艳登场。

图22.洛斯玛在工作站宽敞的空间内测试了宇航员机动装置
七、追根溯源找原因
       微陨石防护罩为什么会不翼而飞?NASA局长詹姆斯·弗莱彻成立了一个调查委员会,以确定微陨石防护罩失效的原因,最终的报告认为,微陨石防护罩按设计必须紧贴工作站壁,但发射时这个间隙超出设计规格半厘米,防护罩暴露在湍急的超音速气流中,导致在62.74秒时防护罩被撕开!撕开的防护罩的碎片不仅缠住了一个太阳能帆板,同时破坏了另一个太阳能帆板的铰链,发射后593秒二级分离时反推火箭的燃气羽流彻底破坏了这个太阳能帆板铰链导致丢失。

图23.超音速气流会毫不费力的剥下微陨石防护罩
         为什么NASA和麦道公司在六年的开发和测试中未能发现缺陷?调查委员会董事会认为作为首次进行空间站设计,总体上的规划设计出了疏漏,由于微陨石防护罩作为土星火箭的一个分系统,并没有专职项目责任人对其所有的设计细节负全责,导致在微陨石防护罩的设计、测试偏重在轨展开和应用,研发人员没有花费足够的时间与空气动力学专家讨论防护罩的发射环境对其潜在影响,忽视了在发射阶段中空气动力学的影响。报告最后希望让经验丰富的总工程师从行政和管理职责中解脱出来,参与如天空实验室工作站或气闸舱等重大项目,在对一些跨专业的设计进行有效的指导。
        然而没有然后了......NASA计划在1974年底由土星5号火箭(原计划执行阿波罗19号)发射第二个天空实验室,进行人工重力实验等研究,但航天飞机的项目让NASA的预算捉襟见肘,硬件已经基本完成第二个天空实验室并没有上天。八、5年空巢等来曲终人散
       变成独子的天空实验室在1973年11月16日迎来了第三批Skylab-4机组,他们创下84天的在轨记录。但这也是到访天空实验室最后一批机组成员,在1974年2月8日离开太空站之前,Skylab-4机组将其提升到433×455公里的更高轨道,希望天空实验室能坚持到航天飞机时代,航天飞机可以捎上助推模块提升轨道高度。

图24. 航天飞机可以为天空实验室捎上助推模块提升轨道高度
        NASA经费的紧张让预期寿命长达9年的天空实验室空巢等待,强烈的太阳活动加热了地球大气层,大气层膨胀导致空间站的轨道衰减速度比预期的要快,1978年末NASA的工程师发现其轨道高度迅速降低,等不到航天飞机协助提升轨道,天空实验室最终只有再入大气层这条绝路。1978年1月一颗苏联核动力卫星在加拿大北部坠落,残骸中的放射性核燃料污染了一大片区域,这在民众心理留下阴影,全球各地的民众担心77吨重的天空实验室会不会产生变成从天而降的太空**?
        在1979年7月11日,NASA向天空实验室发送了最后一条命令,关闭了控制力矩陀螺仪,失去三轴稳定的天空实验室缓慢旋转增加了大气阻力,踏上了最后一程。她安全地飞过北美大陆上空人口稠密地区后重返地球,燃烧自己划破长空,留下最后的身影!仅有少数碎片掉落在澳大利亚西南部人口稀少的地区。至此,她结束了在太空2246天、绕行34981圈的历程,香消玉殒。

图25. 仅有少数碎片掉落在西澳大利亚南部人口稀少的地区
        天空实验室身世坎坷,然而在抢险过程中爆发的应急救援能力以及决策过程值得细细品味。航天很难,出意外也很正常,但需要一种自信和淡定面对这种挑战,需要有一种自我纠偏的能力有效防范。期待今年的长5发射,无论结局如何,这都是我们在向航天大国征程中迈出的一步!
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发表于 2020-4-15 14:56 | 显示全部楼层
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 楼主| 发表于 2020-5-7 09:05 | 显示全部楼层
丧心病狂的宇航员单人再入逃生方案,60年代由美国通用电气提出,名字比较搞笑叫MOOSE(Man Out Of Space Easiest),即“人脱离太空的最简单方法”,整个装置非常紧凑,只有手提箱大小,包括一个让宇航员脱离轨道的小火箭发动机,一个长1.8 米背面有6.4毫米厚的挠性烧蚀图层的PET塑料薄膜袋,两个聚氨酯泡沫罐,降落伞,无线电和救生工具。整个流程如下:宇航员穿着宇航服从飞船中逃出,用火箭发动机减速让自己进入再入轨道,然后把塑料袋掏出来把自己塞进去,塞好之后用泡沫罐往自己背后喷聚氨酯泡沫把自己裹在泡沫里来隔热和缓冲,然后就这么再入大气层,之后打开降落伞降落。整套系统简单轻省而亡命,由于过于极端而被放弃。
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补几张前面提到的MOOSE的图,操纵顺序跟前面的有些区别。最后四张图表包括再入轨道、热负荷和烧蚀涂层烧蚀情况,用来说(hu)明(you)这么把自己套塑料袋里裹着一坨泡沫冲进大气层为何有可能死不了[二哈] ​​​
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另一种60年代的太空逃生方案Paracone,宇航员穿着宇航服从飞船里弹出,弹射座椅里的火箭发动机点火减速,之后在背后展开一个充气式的锥形防热盾再入大气层,之后展开一个小的稳定伞来保持姿态,利用锥形气囊继续减速直至着陆,同时气囊还负责接地时作为缓冲并在落水时作为漂浮物,整个过程持续过载2G,最大过载10G。顺便提一嘴,这类方案在科幻类作品中经常会作为要素出现来凑科幻比例,包括近日由于我国柔性充气式货物返回舱试验而又被翻出来的动画片里的高达突入大气层的设定,在此正本清源以正视听,防止一些人又出现动画片指导科学发展的幻觉。

https://m.weibo.cn/5709557287/4501653002341976

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