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松鼠的空天随笔

 
 
 

日志

 
 

CZ-3B发射PALAPA-D失败分析  

2009-09-04 18:08:38|  分类: Space |  标签: |举报 |字号 订阅

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 CZ-3B发射PALAPA-D失败分析 - squirrel - 松鼠的空天随笔

 

PALAPA-D卫星

2009年8月31日,北京时间17时28分,我国在西昌卫星发射中心用“长征3号乙”型运载火箭发射法国泰利斯公司制造,印度尼西亚所有的帕拉帕-D(PALAPA-D)通信卫星,火箭一子级和二子级工作正常,三子级二次点火后出现异常,未能将卫星送入预定轨道,导致发射任务失败。虽然此后不久,31日晚23时,泰利斯阿莱尼亚宇航公司宣布捕获到卫星,不过很遗憾,卫星轨道数据不是来自中方,而是NORAD(北美防空联合司令部)公布的TLE数据。法国方面宣布卫星状态正常,可以实施变轨,9月1日,卫星进行了变轨,在9月2日,北美防空联合司令部的TLE数据显示,Palapa-D卫星已经变轨成功,此次事故至此告一段落,但已经引发网上各处沸沸扬扬的讨论,笔者发现很多人对此事故的态度和相关技术的认识都有所偏差,笔者对此恰好小有了解,于是做了些分析。本文没有内幕消息和更不涉及泄密数据,公开数据的分析难免有错,欢迎大家批评指正。CZ-3B发射PALAPA-D失败分析 - squirrel - 松鼠的空天随笔

8月31日长征3乙发射PALAPA-D卫星

长征3号乙型运载火箭我国目前运载能力最大、技术最先进、构成最复杂的运载火箭,代表我国目前运载火箭技术的最高水平,本身是以改进后的长征3号甲作为芯级,捆绑四枚液体助推器组合而成,主要用于发射同步轨道卫星,其GTO(同步转移轨道)运输能力达到5.1吨,根据中国运载火箭研究院的官方说法,用户可以根据卫星的需要以及火箭运载能力选择不同的轨道。如果运载能力有剩余,长征三号乙火箭可以将卫星送入一个低倾角的轨道或是一个超同步转移轨道,这样的话,卫星的在轨道寿命可以得到延长。PALAPA-D卫星则是法国泰利斯阿莱尼亚宇航公司生产的通信卫星,重量4100千克,卫星装载24台标准C波段、11台扩展C波段和5台Ku波段转发器,准备定位于东经113度的同步轨道上,预期工作寿命15年。为了这次合作,法国方面专门生产了没有任何美国零件的卫星,发射失败对于长征火箭的商业发射,影响是灾难性的,这或许也是有人学习韩国人宣布“部分成功”的闹剧的原因吧。但无论如何,这不是应有的态度。对于航天人,应该做的是牢记教训总结经验,争取以后发射成功;对于我们这些业余航天爱好者,身为一个航天大国的一员,大大方方的承认失败并不丢人,遮掩修饰玩文字游戏才会引来羞辱。不过很多人对于发射失败的具体细节很不了解,出于善意以为影响不大,对此笔者试着分析一下。

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GEO同步轨道,GTO同步转移轨道,SSTO超同步转移轨道(图上的超GTO)

发射同步轨道卫星,一般的步骤是由火箭将卫星送入一条近地点数百公里,远地点35786公里的GTO(同步转移轨道)轨道,轨道倾角也就是轨道面和赤道面的夹角,按照客户需求,根据发射场纬度和火箭运力各有不同,轨道倾角越小,变轨到GEO(地球同步轨道)所需要的速度增量?V越小。此后卫星在远地点启动星载发动机变轨,将轨道倾角减少到0度同时将近地点提高直到变为35786公里高度的圆轨道,最后再用星载姿态调节发动机进行微调,正式定点成功。不过长征3乙火箭在标准GTO轨道的运力高达5.1吨,而PALAPA-D卫星的重量只有4.1吨,为了充分利用火箭运力,肯定要发射到SSTO(超同步转移轨道)上去,同时减小下轨道倾角。

长征3乙型火箭是一种三级半火箭,以起飞定为T+0秒,标准GTO发射的飞行时序是,、助推器分离T+127秒,一二级分离147秒,二三级分离和三子级点火T+332秒,三子级一次关机T+631秒。根据新闻,以上步骤一切正常。相关报道中提到火箭是在三子级发动机第二次点火出现故障的,对此需要说明一下二次点火这个概念。众所周知,同步轨道卫星定点是在赤道上,而发射场建立在赤道上的很少,所以轨道都会有大小不一的倾角,为了将远地点定位在赤道上,需要发动机在赤道上工作,如果倾角比较大,则卫星从发射到赤道位置需要的时间比较长,发动机设计的对策就是采用二次点火的技术,一次点火后关机,在赤道附近再次点火以做到更合理的利用燃料。按照标准规程,长征3号乙在T+1281秒第二次点火,T+1460秒二次关机,T+1560秒星箭分离,但是此次三子级发动机二次点火时,其中一台发动机推力偏低,导致最后火箭没能进入预定轨道。

长征3号乙发射PALAPA-D卫星原定的轨道是200 X 50000公里的超同步转移轨道,但是发射失败后,地面测控网对卫星失去控制,最后意大利的FUCINO测控站根据北美防空联合司令部的数据发现了这颗打丢了的卫星,此时卫星轨道为221.1 x 21135.3公里,倾角为22.3°,远地点偏离了预定轨道实在太多。长征3号乙火箭发射标准GTO轨道,误差是半长轴±120公里,而此次发射,偏移了200多倍,如果这能算部分成功,那么哥伦比亚号航天飞机重返大气层烧毁岂不是接近完美成功? 同时根据计算,如果要将轨道远地点调整到标准GTO的35786公里高度,大约需要350米/秒的速度增量,这意味着卫星的寿命将要受到极大的影响。地球低轨道卫星受外层稀薄大气的影响,需要速度增量维持味道,但是很多人不知道的是,静止轨道卫星同样需要轨道维持。虽然大气阻力可以忽略,但是同步静止轨道上光压很难忽略;地球是一个椭圆球,因此受地球引力影响同步静止轨道不可能保持一个正圆;还有太阳和月球引力的影响,月球的引力摄动导致轨道倾角年均0.488?到0.678?之间循环变化,太阳的引力摄动导致轨道倾角每年约0.278?的固定变化。以上这些都需要卫星姿态调节发动机提供足够的速度增量来维持轨道。按照粗略的估算,国际通信卫星 VII 的入轨质量为2100 千克,其中 650 千克为推进剂,其计划使用年限为17年,推进剂质量是最初总质量的 31%。PALAPA-D计划使用年限为15年,2011年还有一次变轨调整经度,假定其与国际通信卫星VII具有相同的推进剂质量比例,则全寿命轨道维持需要的速度增量也不过是1000米/秒左右,而这其中就要有大约350米/秒左右要用来弥补长征3号乙火箭发射失败造成的远地点过低的问题,代价是超过5年寿命损失了,而这几乎是PALAPA-D卫星1/3的寿命。面对这样的后果,除了失败难道还能说部分成功不成?这本来就是失败,是惨痛的失败,只不过不是最糟糕的情况而已。

其实本来情况会更糟糕的,如果没有北美防空联合司令部的轨道信息,法国人和中国人都没有足够的观测能力及时找到失踪的PALAPA-D卫星。毕竟北美防空联合司令部自1958年成立以来,建立了遍布北美的雷达网,配合地基光学望远镜和天基红外传感卫星,拥有对尺寸10厘米以上,轨道高度从低轨道到超同步轨道上的数以万计的空间飞行物的跟踪能力,其跟踪能力举世无双。如果到了笔者写下这行字的时候,这颗卫星还是音信杳无,而不是已经顺利转移到GTO轨道上并准备下一步变轨调资,再厚颜无耻的人,也说不出部分成功的鬼话吧。在没有确切信息的时候,笔者曾经猜想过火箭三子级发动机异常,会不会星箭分离不顺利,卫星分离后能不能及时捕捉到太阳调整好姿态,如果星箭分离失败,就是彻底失败,如果卫星姿态失控,将其稳定下来转入正常姿态比现在的局面要难得多,好在这些最糟糕的情况都没有发生。另外22°的轨道倾角,也不知道是不是比合同书预定的轨道倾角小,2005年发射法国阿尔卡特公司4.6吨重量的亚太六号卫星,长征3号乙火箭将其送入209 X 49991(预定200 X 50000)公里、轨道倾角26度的超地球同步转移轨道,今年发射的PALAPA-D卫星重量更小,预定送入的轨道倾角肯定要小于26°,根据中国运载火箭研究院的长征3号乙运载火箭运载能力表,CZ-3B发射PALAPA-D失败分析 - squirrel - 松鼠的空天随笔长征3号乙有将4250千克载荷送入200 X 50000公里,倾角22°超同步转移轨道的能力。如果合同预定的倾角大于22.3°,由于改变轨道倾角需要相当大的速度增量,那么可以很大程度上抵消提高远地点的燃料消耗,目前看来,很有可能轨道倾角小于预期,这多少是个安慰,事情可能不那么坏。

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 印尼公司发布成功消息-网站截图      

 9月3日印尼方面宣布卫星成功,但是这不是我们的成功,在火箭发射上,长城公司收获的是失败。我们希望,我们未来能看到连续的发射成功,而不是

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西昌长三乙发射Palapa-D纪念封

再次看到即将成为绝版的纪念封。

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