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打地球同步卫星为何要空中关机滑翔一段?

昨天成功的胖5遥3任务中,真正的有效载荷,就是实践20号重型卫星。这其实是一颗东5平台的试验通讯卫星,也是当今世界重量最重的通讯卫星。实践20号在这次任务与2级火箭分离时,他的自重,包括卫星本身和携带的推进器,包含里面的燃料,其实还高达14吨之多。而这个14吨的物体,已经被前面的两级火箭,加速推进到一个近地点只有200多公里,而远地点高达距离地面3.6万公里的大椭圆轨道上,也就是同步转移轨道。而如果这个卫星和推进器的复合体,在运行到3.6万公里的远地点时,再瞬间开一次机进行助推,就会轻松的进入环绕地球3.6万公里的圆形轨道,也就是定点在地球赤道上空,成为一颗地球同步重型通讯卫星。地球同步重型通讯卫星的重量都比较大。因此发射场要尽量选择在低纬度地区,如果能在赤道上那是最好的。

比如法国在南美洲的库鲁航天中心就非常接近赤道。一般国家没法直接把发射场建设在赤道上,因此就选择尽量的靠近赤道。文昌发射场就是借助了纬度低,地球自转线速度高和东边上千海里都是大海的2大优势。这次胖5遥3的发射中,其实从起飞到大约500秒。火箭的助推段和芯一级已经完成了推动任务。也就是第二次发射时出现故障的YF77发动机被证明完全可靠后,此时上面的第二级火箭加卫星系统,已经是事实上安全进入了地球低轨道。就算后面有什么小的瑕疵,也基本会让卫星最终入轨。除非出现太阳帆板展不开,全星掉电这种极端的事故。因此这次发射,一二级成功分离,二级火箭成功点火后,这次任务其实就已经成功了99%。但是现场画面一直进行到了接近起飞后900秒的二级火箭中间关机,需要再滑行大约800多秒后,才会空中第二次点火开机。

实际上2次点火的这段第二级火箭,已经是2台YF75D氢氧发动机。是研发成功多年的一个金牌型号。过去已经有接近100次量级的成功经验。因此到1700秒以后二次点火再推动350多秒这段,瀚海狼山当时就知道基本是不会再有多大问题了。但是也许由于直播在这段没经验,也没提前向观众讲清楚。就把画面切换到别处去了。弄得大多数观众还以为胖5的核心部分,也就是YF77发动机仍然在工作,因此一直提心吊胆了差不多半个小时。到最后才得到圆满成功的消息。实际上只要前500秒火箭工作正常,胖5作为偏重型火箭的主要任务段,就已经基本成功了。那么为何要用第二级火箭进行二次点火,空中惯性滑行十几分钟呢?其实全球深空发射任务,包括发射3.6万公里的同步卫星,以及更远的探月任务,甚至是火星任务,大多都会用到氢氧发动机的二次点火。美国的阿波罗计划就用到大推力氢氧发动机的二次点火技术。这是因为深空发射任务,椭圆轨道的长轴越长越好。而如果二级火箭一直开机。

虽然也可以打出一个长椭圆轨道。但是却不够理想的狭长。也就远地点高度不够高。而近地点高度又过高。比如二级火箭若一直开机,最终燃烧完毕后,会把有效载荷打出一个远地点2万公里,近地点500公里的椭圆轨道。而二次点火,中间滑行一段,就会打出一个远地点3.6万公里,近地点只有200多公里的更有利用价值的轨道,让卫星可以接近直接入轨。而谁谁家是美国之后,全球第二家熟练掌握氢氧发动机太空二次点火技术的国家。这方面已经达到世界先进水平。

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