发射前的中星9A卫星,它基于东四卫星平台,是一颗电视直播卫星
6月19日长征三号乙火箭发射中星9A时出现异常,卫星没能进入预定轨道。经过西安卫星测控中心的努力挽救,经过10次轨道调整,中星9A卫星已经在7月5日成功定点在东经101.4°的静止轨道。目前,中星9A卫星工作正常。刚刚经历了长征五号发射实践18卫星的失败,很多人面对中星9A卫星挽救成功,惊喜的表示:“这也能救回来”!
挑战者号航天飞机凌空爆炸,这是最彻底的失败,但部分失败却分很多情况
航天发射是高技术和高风险的活动,失败难以避免,大众对航天发射失败的印象,最直观的大概就是空中爆炸星箭俱毁了。然而,幸福的家庭都是相似的,不幸的家庭各有各的不幸,不成功的航天发射分很多情况:比如长征五号发射实践十八号卫星失败,就是没能入轨最后再入大气层烧毁,而更多的情况是二级或三级出现推力不足等问题,卫星没能进入预定轨道。中星9A卫星的情况,就是长征三号乙火箭的三子级姿控发动机在一次关机后的滑行段出现异常,然后虽然三子级主发动机二次点火并工作,但最终没能将卫星送入预定轨道。根据美国军方公布的轨道信息,中星9A卫星进入了一条近地点为193公里,远地点为16357公里,倾角为25.68°的轨道,而长征三号乙火箭的标准同步转移轨道为近地点约200公里,远地点约35786公里,如果说近地点高度的误差在许可范围内,那远地点高端就差的实在太多了!
中星9A的覆盖情况,它还专门设计了南海波束,让中国全国范围都能接收到卫星电视
中星9A卫星装有24个Ku波段转发器,覆盖了中国及其周边地区,尤其是专门设计了南海波束,解决南海岛礁上的军队政府和群众收看广播电视节目的难题,确保了直播卫星覆盖全部中国主权地区。中星9A卫星发射部分失败,当然也可以叫部分成功,它在大椭圆轨道无法承担直播电视节目的工作,后来挽救最终进入东经101.4°的预定静止轨道位置,才算大功告成。中星9A卫星到底是怎么救回来的呢?这就要从通信卫星发射变轨的过程说起。
转移轨道是远地点35786公里的轨道,中星9A卫星发射出错进入一个远地点高度不足的异常轨道
正常发射中,通信卫星被送入近地点约200公里、远地点约35786公里的同步转移轨道,此外同步转移轨道面一般还和赤道面有一个夹角,被称为轨道倾角。卫星从标准同步转移轨道到静止轨道,需要把近地点高度抬高到35786公里的同时,将轨道倾角削减到0度,才能在赤道上空定点。如果轨道有倾角就会南北漂移,卫星虽然绕地球一圈仍是一天时间,但是在地面看来就不是静止,而是跳起了8字舞。通信卫星从200公里X35786公里、轨道倾角约27度的轨道变轨进入静止轨道,需要卫星速度增加(即速度增量ΔV)约1800米/秒,这是卫星靠自己的主发动机加速完成的;卫星在静止轨道上每年还需要大约50米/秒的速度增量用来变轨消除轨道倾角,也就是进行位置保持。以中星9A卫星为例,它的设计寿命为15年,那么卫星定点后剩余燃料理应可产生至少约750米/秒的速度增量,保证15年正常工作期间卫星不会跳8字舞影响地面信号质量。
两颗跳8字舞的卫星,这对通信卫星是大忌。中星9A把未来南北维持保持用的燃料,挪用变轨拯救了卫星
聪明的读者一定想到了:中星9A卫星发射成功后,卫星变轨能力可达约2550米/秒,尤其是定点后仍然有约750米/秒的速度增量。现在中星9A卫星进入错误的轨道,那么用轨道维持的变轨能力来纠偏不就行了么!是的,这就是挽救中星9A卫星的基本原理:朝三暮四!具体地说,从近地点193公里、远地点16357公里的轨道变轨到近地点193公里、远地点35786公里的轨道,需要卫星在近地点速度增加约543米/秒。中星9A卫星能挽救成功,最根本的原因就是提升卫星远地点高度的燃料或者说速度开销,小于将来静止轨道位置维持的开销,换句话说,中星9A卫星设计上带的燃料可以满足异常轨道变轨到正常轨道的需求。诸位读者大可不必惊呼“这也能成功”或是“厉害了我的国”,这样的变轨拯救工作对主要航天大国都没任何挑战。
转移轨道上的卫星要耗费ΔV削轨道倾角,定点后还需经常进行南北保持的变轨机动,消除出现的轨道倾角
尽管如此,卫星拯救知易行难,毕竟火箭出了故障,是否会造成卫星故障,或是卫星本来就有故障都不得而知。中星9A卫星进入异常轨道后,中国航天科技集团和西安测控中心的工作人员加班加点工作,用两周多时间让卫星变轨定点成功,为拯救工作献上了完美的答案。从上文的理论计算中,我们可以了解到卫星因此消耗了大约10年的轨道维持能力,通俗的说就是卫星寿命损失10年!话虽如此,中星9A卫星主要用于卫星电视直播,而地面终端用的“小锅”对卫星南北位置保持要求并不严格,那么放宽卫星南北位置保持要求,卫星的实际使用寿命可以比5年长得多,但即使乐观考虑,中星9A卫星最多也就用10年。中星9A卫星拯救成功的背后,卫星仍然损失了5到10年的寿命,造成了巨大的经济损失。
主编圈点:中星9A卫星拯救成功的背后,卫星仍然损失了5到10年的寿命,这样的代价未免是很沉重的,希望以后中国的航天发射能够少点惊险多点安全!
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