中星9A的自救之路
南方日报
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①因长三乙火箭三级的工作异常导致其未能提供足够的动力把中星9A送到指定轨道。因此,要实现自救首先要确保中星9A在近地点点火加速,在短时间内提高其速率,使卫星进入椭圆形的转移轨道,如果一次变轨不够,再来一次,直至其抵达目标轨道。
②接下来中星9A需要继续努力变轨,推动自己到达长三乙计划到达的火箭目标轨道。
③当到达火箭目标轨道后,为了使中星9A进入同步轨道,在卫星运动到远地点时必须再次启动发动机,使其所需要的离心力增大到与最终位置的万有引力相等,这样中星9A才能顺利进入同步轨道做匀速圆周运动,从而最终实现自救。
试想一下,在周末假日的早上,你乘车前往广州周边的某地度假,在车里开着空调唱着歌,突然,车坏了,此时距离目的地还有很远的距离,酒店也订好了,门票也买了,回家也不可能,怎么办?只能继续走下去,虽然会消耗很多体力,也会耽误很多本来用来享受假期的时间,但是,半途而废什么也不会拥有。
6月19日,一颗叫做“中星9A”的直播卫星也遭遇了相同的难题,因为负责送它到地球同步轨道的火箭“抛锚”了。由于它已经在35786公里的地球同步轨道预定了位置,此时距离目的地还有2万多公里的里程,不去的话就浪费了。最终它做出了选择:依靠自己的力量,走完了剩下的路,到达了目的地,于7月5日成功“爬到”定点地球同步轨道。
当然,它的路要曲折很多。
●南方日报驻京记者 王腾腾
抉择
自力更生爬轨道
2017年6月19日0时11分,中国在西昌卫星发射中心由长征三号乙运载火箭发射中星9A卫星,这是一颗由航天科技集团五院研制的我国首颗国产直播卫星,如果成功入轨,将成为我国首次覆盖南海海域的国产直播卫星。
但是期望看来无法直接实现了。负责运送中星9A卫星的火箭出现异常,在1.6万公里高度的太空抛锚了,而它离预定轨道还有2万多公里。报道称,一位工作人员事后回忆说,一开始以为遥测乱了,时间一分一分过去,越来越揪心。因为如果这颗卫星就这么停在那里,不仅是产生了太空垃圾,而且巨大的研发投入就打了水漂,科研人员的心血就白费了。
“山重水复疑无路,柳暗花明又一村”的套路再次来了:卫星太阳帆板、天线顺利展开,工况正常,而且卫星上的一个关键设备——地球敏感器可以正常使用。这意味着,地面的工作人员能够靠它确定卫星的姿态和相对地球的位置,并依靠卫星自身的推进器点火来完成变轨。
但是问题又来了:通过卫星变轨来调整卫星姿态或者调整卫星轨道是一个非常正常的程序,然而,由于此时的中星9A卫星距离目的地地球同步轨道还有2万多公里的高度,爬上去着实不容易。
过程
弯弯绕绕目的地明确
对比来看,我们所熟悉的神舟飞船、天宫二号等载人航天器,都属于近地轨道,轨道高度不过340公里—400公里之间,为椭圆形。但是中星9A是一颗高轨道的地球同步卫星,它的轨道高度是35786公里。
值得提醒的是,就算运载火箭不出意外,为了节省燃料与成本,也不是直接将其送到这个轨道高度,而是先将中星9A送到一个椭圆形的地球同步转移轨道。因为可以依靠引力的作用,使卫星变轨到地球同步轨道。其实,这也是卫星的一个变轨过程,其本质与中星9A的“爬升”没有区别。
地球同步转移轨道高度为近地点几百公里到远地点3.6万公里。在这个轨道上,卫星绕地球飞行,然后在到达远地点的时候,卫星启动自身的发动机,加速,摆脱椭圆形的地球转移轨道,从而进入圆形的地球同步轨道。
中星9A实际就是在进入地球同步转移轨道的时候出现了问题,报道中所说没能进入预定轨道即是指这条地球同步转移轨道。
摆在面前的是困难,但是摆在困难之前的是曾经的成功。且不说美国等已经实现过类似的卫星变轨过程,曾经绕月飞行的嫦娥一号、嫦娥二号能够从地球飞往月球,又从月球轨道变换到环日轨道。期间嫦娥一号摆脱地球引力,抵达38万千米之外的月球轨道,行程可是比中星9A多了数十倍。而且,它们所使用的动力都是490N发动机。可见,中星9A克服这个困难有可能。
在航天科技集团五院飞控试验队和西安卫星测控中心的密切配合下,中星9A卫星开始了以消耗自身动力与燃料,一步步朝着目的地爬升的行程。
中星9A在6月19日中午在其运行轨道的近地点点火,一口气将自己的轨道高度提升了一万多公里。
接下来,它开始数次变轨,在失去了火箭动力的支持之后,终于进入了它一开始梦寐以求的地球同步转移轨道,但是这还不够,它只是走到了景区的购票窗口,接下来,它还要买票进入最终的目的地,地球同步轨道。
为了使中星9A进入同步轨道,在卫星运动到远地点时必须再次卫星启动发动机进行加速,使其所需要的离心力增大到与最终位置的万有引力相等,这样中星9A才能顺利进入地球同步轨道做匀速圆周运动,从而最终实现自救。
最终,在完成了10次重新点火6次精准轨道俘获控制之后,中星9A于7月5日成功定点东经101.4°赤道上空的预定轨道,各系统工作正常。而它爬升的过程,就像一个螺旋,一圈圈地往高处走。
结局
寿命虽减但有用
在不断变轨爬升的过程中,中星9A多次频繁穿越地球周边的中、低轨道的辐射带,也消耗了很多燃料,这也意味着,这颗卫星的在轨寿命也被削减了。
哪怕折损寿命也要拼命爬升,这是何苦呢?首先要明白的是中星9A是一颗直播卫星,它的卫星直播信号需要覆盖中国的国土区域,也就意味着它必须做一颗相对静止的卫星,无论它自身如何运动,地球如何运动,它必须定点在东经101.4°赤道上空。而实现这种定点的轨道只有地球同步轨道,在这个轨道上,地球与卫星保持相对静止。
而对于其寿命的缩减,其实主要是指其用来维持轨道的燃料的消耗。由于在轨卫星会受到地球引力、月球引力、太阳引力以及太阳光压等各种作用力的影响,卫星的轨道会出现偏差,也就需要卫星每隔一段时间启动自身的发动机调整自己的姿态,重新回到正确的轨道。所以,一颗卫星能携带多少燃料就决定了它最终能完成多少次调整。如果它的燃料用完,在不断的作用力之下,卫星就会“出轨”,一颗“出轨”的卫星,如何发挥自身的作用呢?
所以,中星9A消耗了自身的燃料爬升轨道高度,也就意味着它用来维持自身轨道精确度的燃料所剩不多,在轨寿命当然要大打折扣。
如果在今后,卫星在轨燃料补加技术成熟了,中星9A就可以“续命”,继续发挥作用。
责任编辑:韩旭阳 SN205
