打造中國版的小型“隼鳥”？這項(xiàng)技術(shù)正在實(shí)現(xiàn)！

出品｜網(wǎng)易新聞

導(dǎo)語：一聲啪響，2023年首月，長征二號丙遙六十一運(yùn)載火箭頂著重4.3噸的亞太6E通信衛(wèi)星發(fā)射升空，在進(jìn)入遠(yuǎn)地點(diǎn)1萬公里的橢圓軌道時將進(jìn)行推進(jìn)艙分離，用北斗導(dǎo)航信號實(shí)現(xiàn)成功離軌。繼續(xù)切換至電推力器進(jìn)行持續(xù)升軌，今年11月泊入預(yù)定的地球靜止軌道軌位。

亞太6E衛(wèi)星緊縮場測試

一、都是衛(wèi)星，這次有啥新“花樣”？

亞太6E衛(wèi)星基于東方紅三號E（DFH-3E）平臺建造，衛(wèi)星本體配置2臺LIPS-300離子推力器和2臺SPT-140D霍爾推力器。由于二者原理有一定差異，SPT-140D霍爾推力器的推力更大，但比沖相比LIPS-300離子推力器來說更低，因此用于衛(wèi)星從初始的亞同步轉(zhuǎn)移軌道升軌至地球靜止軌道。而LIPS-300離子推力器用于靜止軌道保位。

SMART-1電推進(jìn)月球減速軌跡

DFH-3E的推進(jìn)艙完全使用了DFH-4衛(wèi)星的推進(jìn)分系統(tǒng)，只是改為了外置構(gòu)型，因此需要修改熱控。推進(jìn)系統(tǒng)使用1臺490N FY-25雙組元推力器（真空比沖315s）和4組總計(jì)8臺10N雙組元推力器（真空比沖285s），以及一系列的1N ACS雙組元推力器。增壓氣瓶使用兩個包裹了熱控材料的T1000碳纖維纏繞氦氣儲罐。亞太6E的推進(jìn)艙總重2210公斤。

二、降本增效，新嘗試+1

亞太6E衛(wèi)星項(xiàng)目的合同報(bào)價(jià)為1.37億美元，衛(wèi)星采用Ka頻段通信，通信容量30Gbps。相比2020年7月由長三乙改二Y64發(fā)射的亞太6D高通量通信衛(wèi)星整個合同報(bào)價(jià)為2.2億美元，這個價(jià)格確實(shí)相對低廉。

SMART-1電推進(jìn)奔月軌跡

考慮到亞太6E是DFH-3E平臺的首星，而亞太6D之前已經(jīng)有兩顆同類平臺，即DFH-4E平臺的衛(wèi)星，雖然均發(fā)射失敗，但亞太6D的研發(fā)成本確實(shí)也被分?jǐn)偭艘恍?/p>

DFH-3E衛(wèi)星平臺性能對標(biāo)OHB的Small-GEO衛(wèi)星，雖然亞太6E需要連續(xù)在地球的內(nèi)外輻射帶中浸淫十個月，該階段衛(wèi)星吞掉的輻射量達(dá)到了靜止軌道上8年的量，但為了省下一個長征三號甲火箭的第三級，我國還是下定決心搞了化學(xué)推進(jìn)艙+全電升軌的布局。

長征三號甲運(yùn)載火箭系列第三級自1994年首飛以來成為我國運(yùn)載火箭中沿用最廣的模塊。應(yīng)用于長征三號甲、長征三號乙、長征三號丙這一系列運(yùn)載火箭，并且還使用于長征七號甲和長征八號運(yùn)載火箭。該模塊使用2臺YF-75型燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)氫氧發(fā)動機(jī)，共底儲箱。用于長三甲火箭的模塊的質(zhì)量最輕，干質(zhì)比7.6，而用于長征三號乙改三和長征八號的模塊干質(zhì)比僅為6.5。該模塊在當(dāng)年首飛時代表了我國航天工業(yè)的最高水平。

早期該模塊的良品率較低，每次發(fā)射都需要生產(chǎn)2個模塊，且同時進(jìn)行檢測后最終會使用性能較好的其中之一。50%的良品率帶來了較為嚴(yán)重的生產(chǎn)資料浪費(fèi)和高成本。隨著該系列運(yùn)載火箭發(fā)射頻率逐步增加，工藝改進(jìn)工作也在持續(xù)開展。

2020年后，三級的良品率已經(jīng)超過80%，但該模塊的報(bào)價(jià)的占比仍然是最大的，在長三乙增強(qiáng)型火箭上該比例可能仍然超過了40%（質(zhì)量上只有火箭的1/17），而該模塊較為古老的一些設(shè)計(jì)導(dǎo)致其測發(fā)復(fù)雜、周期長，YF-75發(fā)動機(jī)則在近幾年內(nèi)出現(xiàn)了重大事故，如何在低成本小型通信衛(wèi)星上避免使用該高價(jià)值模塊以降低發(fā)射成本成了重要之事。需要DFH-3E這種小平臺的國家大多不富裕，盡管長三乙火箭已經(jīng)相當(dāng)物美價(jià)廉，但它對于這些國家來說還是太大了。

因此，DFH-3E衛(wèi)星的構(gòu)架是繞開氫氧級、降低發(fā)射成本的一個重要嘗試。

三、深空！深空！未來探索繼續(xù)中

我國目前唯一沒有氫氧發(fā)動機(jī)參與的深空任務(wù)就是2018年5月由上海航天運(yùn)載研究院長征四號丙Y27運(yùn)載火箭發(fā)射的“鵲橋”中繼衛(wèi)星。

長四丙運(yùn)載火箭三子級使用2臺YF-40C型常溫火箭發(fā)動機(jī)，真空比沖為303s。三子級的性能只能算平平無奇，導(dǎo)致長四丙火箭的高軌運(yùn)載能力高速衰減，1.5噸的靜止轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力到月球轉(zhuǎn)移軌道已經(jīng)衰減到了600kg左右，更高軌道則會更低。但長四丙的三級也為共底儲箱，價(jià)格并不便宜。

目前中國的深空任務(wù)均為旗艦級任務(wù)，航天器質(zhì)量大，組成復(fù)雜，任務(wù)成本高，采樣返回任務(wù)也有較高的樣本質(zhì)量返回要求。基于精細(xì)分析技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)際上微克級樣本足以實(shí)施一系列分析。因此，小型高回報(bào)的深空任務(wù)在未來仍是必要的。

比如，小行星和火星任務(wù)。實(shí)際上，電推進(jìn)自20世紀(jì)90年代在深空1號任務(wù)上使用以來，已廣泛應(yīng)用于各類深空任務(wù)中，包括但不限于MUSES-C，SMART-1，Dawn，Psyche等探測器。MUSES-C（隼鳥號）則是使用一發(fā)M-V火箭射入大橢圓繞地軌道，隨后自行電推升軌前往小行星itokawa。

使用電推進(jìn)技術(shù)的隼鳥2號

CONTOUR探測器

如果中國未來開展低成本小行星采樣返回任務(wù)或小行星多目標(biāo)飛行任務(wù)等，則完全可以使用運(yùn)載能力較低的長征二號丙或者一系列近地軌道運(yùn)載能力3-4噸級的運(yùn)載火箭。探測器采用電推+推進(jìn)艙設(shè)計(jì)（當(dāng)然，類似CONTOUR一樣整個固推也行，但要對此做好適配，否則會吃CONTOUR一樣因?yàn)闆]有考慮固推羽流加熱效應(yīng)而導(dǎo)致解體的“大虧”）。推進(jìn)艙將探測器本體射入大橢圓繞地軌道，探測器自行升入逃逸軌道。

OHB的Small GEO衛(wèi)星

這種構(gòu)架可以大大減少發(fā)射的成本，但適當(dāng)?shù)卦黾恿撕教炱鞯膹?fù)雜度和抗輻照能力，但增加得有限。以類似DFH-3E衛(wèi)星之類的低成本小型深空任務(wù)可以極大地降低任務(wù)對運(yùn)載火箭的依賴，達(dá)到以小博大的效果。

結(jié)語：

鑒于現(xiàn)在先進(jìn)低樣本量分析技術(shù)的普及，小行星采樣返回任務(wù)不再追求樣本的量而更要求覆蓋多點(diǎn)，因此小型的深空探測任務(wù)在未來會更為重要而普及。結(jié)合電推進(jìn)已經(jīng)在深空任務(wù)中得到了足夠的應(yīng)用，如果基于DFH-3E類似的構(gòu)架研發(fā)小型深空任務(wù)，則可以使得我們以更低的成本更快更好的建造探測器并且前往預(yù)定位置，對我國深空探測技術(shù)作為有益補(bǔ)充。

參考文獻(xiàn)：

DFH-3E, A New Generation of Commercial HTS Geostationary Platform