長徵八號700公裡太陽同步軌道運載能力超過4.5噸,填補了中國這一火箭產能的空白。
在灰濛天氣中,延期一天後,12月22日中午長徵八號終於順利發射升空。這是長徵八號的首飛,也是今年長徵系列火箭的收官之飛。
長徵八號700公裡太陽同步軌道運載能力超過4.5噸,填補了中國這一火箭產能的空白。同時,長徵八號也是中國首款可回收設計火箭。不過,相比於美國SpaceX旗下的獵鷹9號,從可重複回收技術和發射成本等方面看,長徵八號距離成熟地進入可重複回收商用火箭市場,還有一段路要走。
星座組網刺激中型運載火箭發射
在「模塊化、系列化、組合化」的設計思路下,長徵八號可以類比組裝「玩具」。3.35米直徑的一子級和兩枚2.25米直徑的助推器取自長徵七號,再將長徵三號甲的三子級拿來做二子級,一個兩級半結構的新火箭型號就出現了。
整體來看,長徵八號全長約50.3米,起飛推力約480噸,700公裡太陽同步軌道運載能力超過4.5噸,相當於能一口氣將一輛大貨車發射到700公裡的太空。此次首飛,長徵八號還將新技術驗證七號、海絲一號、元光號、天啟星座零八星、智星一號A星5顆試驗性衛星準確送入了預定軌道。
從長徵三號甲系列、長徵五號到長徵七號、長徵十一號,中國運載火箭型號已然不少,但長徵八號有其獨特之處。
根據中國運載火箭技術研究院的介紹,目前在我國新一代運載火箭中,3-4.5噸太陽同步軌道發射運載能力尚存空白,而長徵八號則正好填補了這項空白。
自2015年以來,美國SpaceX和亞馬遜、波音公司,以及英國OneWeb、加拿大電信衛星公司Telesat、韓國三星、中國航天科技(000901)集團有限公司、中國航天科工集團有限公司等相繼提出自建網際網路衛星,國內外衛星組網呈現出衛星小、數量多、組網時間短的特點。
為了兼顧全球覆蓋和低延時通信兩大核心能力,在設計星座計劃時,質量在200kg左右的小衛星成為各大公司首選,星座規模也因此十分龐大,比如SpaceX的「星鏈計劃」衛星就達到了1.2萬顆之多,而國內組建的低軌寬帶衛星星座諸如「鴻雁」「虹雲」「銀河」也同樣需要156顆至上千顆衛星不等。
另外,由於衛星頻率和軌道資源稀缺,為了搶佔商業先機,如何在最短時間內完成組網,是各大公司的急迫任務。不過,目前進入大規模星座組網階段的只有 SpaceX和OneWeb,前者發射任務由SpaceX的「獵鷹9號」運載火箭完成,後者則分別選用了歐洲阿里安空間公司和英國維珍銀河公司的運載火箭。
從SpaceX和OneWeb的選擇來看,相比於需要發射次數多、組網效率較低的小型運載火箭以及生產和發射周期較長的大型運載火箭,組網效率和研發周期適中的中型運載火箭成為了完成組網的理想方案。
中國第一枚運載火箭長徵一號是為運載東方紅一號而生,在1970年4月24日首飛成功。自20世紀70年代至80年代後期,長徵二號、長徵三號和長徵四號系列運載火箭也先後成功發射運行。隨後,為了滿足大容量應用和載人飛船、空間實驗室發射的需要,在上述型號的基礎上,長徵二號E、長徵二號F、長徵三號甲、長徵三號乙、長徵四號甲和長徵四號乙等型號的運載火箭也被研製出來。
2001 年,中國運載火箭技術研究院提出新一代火箭的運載能力、推進劑種類、級數以及設計原則(即高可靠、低成本、低汙染、模塊化、通用化),以長徵五號、長徵七號為代表的新一代「長徵」系列火箭陸續發射。
2016年11月,大型運載長徵五號在西昌衛星發射中心首飛成功,成為中國運載能力最大的火箭。而為滿足小衛星發射需求研發的長徵十一號,雖操作簡單、發射成本低、發射周期短,但700公裡太陽同步軌道運載能力僅為350KG。
長徵七號雖同樣為中型運載火箭,其低軌道運載能力13.5噸,700公裡太陽同步軌道運載能力達5.5噸,於2016年首發成功,計劃逐步替代現有的長徵二號、三號、四號系列,並承擔中國80%左右的發射任務,但遺憾的是,今年3月,在將長徵七號改中型運載火箭後,首飛失利。
2020年至今,中國是全球火箭發射次數第二多的國家,共發射38次,去年則為34次,而未來國內發射需求顯然還在上漲。面對龐大的發射需求,尤其是急速增長的微小衛星組網發射需求,長徵八號的出現填補了這一火箭產能空白。
一航天產業業內人士向時代財經表示,「長徵八號瞄準的是國內200KG左右低軌小衛星以及國際上小微衛星的發射市場,一些民營火箭公司比如星際榮耀、星河動力也在做相關的工作,民營公司與它實際上是競爭對手。但長徵八號肯定相對成熟一些,它是有可能擠壓民營火箭公司市場的。」
可重複回收:新兵VS神槍手
除了700公裡太陽同步軌道運載能力超過4.5噸的表現,長徵八號還值得一提的是,它將是國家隊首款可回收設計火箭,同時也是中國所有火箭中,首個未開展全箭模態試驗的中大型火箭。
不同於其他火箭,長徵八號採用周期短、費用低的虛實結合模態分析技術,這使得長徵八號為後續其它大型、重型火箭的模態綜合技術奠定基礎,也可以大幅縮短研製周期、降低研製費用、提升研製效率。
長徵八號2018年4月轉入工程研製階段工作,2020年10月完成出廠評審。「從型號開始論證到首飛火箭具備出廠條件,僅用時2年多,這在新一代運載火箭研製的歷史上是不多見的。」中國運載火箭技術研究院長徵八號運載火箭總設計師宋徵宇介紹道。
另外,長徵八號中,還有很多技術也都是首次應用。比如發動機推力調節技術、火箭主動減載控制技術等。
宋徵宇表示,此次任務長徵八號火箭已經開展了可重複和智慧化相關技術的驗證。在未來發展中,長徵八號火箭會將可重複使用技術、智慧火箭作為發展的重點之一,在飛行中不斷摸索,積累飛行子樣。
不過宇航科普作家程亦之表示,目前長徵八號仍屬於消耗型,未來將研發成熟版長徵八號R型,預計2025年前後實現一級與助推器整體垂直回收及重複使用,成為中國國家隊發射的第一款復用回收火箭。
「長八研發團隊目前還處在前期準備階段,距離實戰測試還有一大段路程,距離成熟掌握商業復用技術更需要一段很長的路。」程亦之認為。
雖然火箭回收設想早已有之,但真正將之成為現實的,最早來自5年前SpaceX對一級火箭的首次成功回收。如今SpaceX的火箭回收技術已逐漸嫻熟,12月18日,SpaceX公司剛用「獵鷹9號」火箭將美國國家偵察辦公室(NRO)一顆軍用衛星送入太空,完成了該公司今年的第26次發射。
程亦之對時代財經表示,長徵八號和獵鷹9號都採用垂直回收模式,返航著陸技術應該大同小異,關鍵在於能否全面掌握火箭精確制導、導航定位、推力控制、姿態控制、機載AI算力等等。略有不同的是,長八屬於一級半捆綁結構整體垂直回收,獵鷹9號屬於一級單體火箭垂直回收,這對發動機推力控制、箭體姿態控制會有不同要求。
「兩款火箭運力不在同一量級,長徵八號最大運力8.4噸,屬於中型火箭(2~20噸),獵鷹9號最大運力22.8噸屬於重型火箭(20~50噸),長八主打SSO太陽同步軌道衛星,獵鷹9號從LEO到GTO通吃,即使小微衛星市場也不放過,通過共乘模式將發射價低至100萬美元。」
上述業內人士亦表示,從成本和技術水平看,長徵8號和獵鷹9號仍有差距。程亦之分析指出,獵鷹9號利用高復用模式,其整箭市場發射價最低可達2800萬美元(發射自家星鏈1500萬美元)。而剛剛首飛的長八,目前尚未公布發射價,估計消耗型火箭可能在3000萬美元上下。不過,隨著回收復用的實現,發射價會逐步走低,復用次數與發射折扣價成正比。
他認為,在「神槍手」獵鷹9號面前,長徵八號像是剛摸了兩天槍的新兵。「兩者不在同一階段,獵鷹9號從5年前實現首次商用發射回收、成熟掌握回收技術,至今60個月總計成功回收70次,平均26天回收一次。長八回收版目前還處在原型機前期設計階段,相當於獵鷹9號原型機蚱蜢的設計階段,距離嫻熟掌握回收技術至少還要數年。」
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責任編輯:jhb