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火箭发射前提前出海的“远望号”到底是干什么的?

日期:2018-06-21

      2018年5月21日,人类首个地球-月球背面信号中继卫星鹊桥号由我国成功发射。但在此之前,远望6号航天测量船早在5月5日就提前出发前往预定海域,而远望7号则是在完成5月3日发射的亚太6C卫星任务后直接前往预定海域。

  央视节目关于远望号船队执行航天测控任务的报道(图片来源:央视)

  可以说,这座地月之间的“鹊桥”,是地面测控站、海上测控站(远望号)和鹊桥号中继卫星,共同搭建而来的。

  而如果大家留意航天发射新闻,“远望X号”的名字几乎出现在每一个航天发射任务中,这个神秘的名字背后,到底是什么呢?

   海上航天测控船的必要性 

  任何一个火箭和航天器,都离不了航天测控:一方面监测它飞到哪里,状态如何;另一方面控制它下一步的动作,要去哪里,怎么去?

  在火箭发射阶段,地面测控站能保持地面与火箭的有效通讯,甚至可以实现国境内几个测控站的接力。但是火箭大概只需要10分钟就可以把航天器送入太空,早就远离大陆飞到海上,航天器运动速度高达7.8千米/秒,声速的20倍以上!

  对于绝大多数航天发射任务而言,它需要的指令还远远没有结束。比如多级火箭的分离和点火指令(发射鹊桥号的长征四号丙火箭有三级)、多次复杂轨道机动(亚太6C需要从200多千米高一直爬升到36000千米高)、火箭上面级工作(远征二号多次点火把两颗北斗卫星送入不同位置)、航天器本身动作(打开太阳能帆板、各仪器上电、数据和指令下传上传等)。

 

  仿真:以杨利伟飞行的神舟五号飞船为例,21小时飞船星下点轨迹图。显然只有本土测控站远远无法满足需求

  即便在正常飞行状态下,地球在自转,航天器运动速度也很快,例如神舟飞船和天宫之类航天器轨道较低,大量操作远离我国本土。这些都需要把握住稍纵即逝的机会,不可能完全依赖本土的陆地测控站。

  为解决这个问题,海上可移动测控站的意义,不言自明,世界各国都有相应的建设。

  远望号航天测量船

  在这种需求情况下,远望号测量船几乎伴随着我国航天起步,最早的一艘为远望1号,早在1977年就顺利下水入列,而最新的远望7号在2016年下水入列。

  远望得名于叶剑英所创、毛泽东手书的七律诗《远望》,船体上的字也是真迹而来。无论是对于伟人的纪念意义,还是远望字面的意义,用来描述这几艘“千里眼、顺风耳”都再恰当不过。

 

  7艘远望号大合影!(图源:中国军网、央视、我们的太空微博)

  远望号家族大体上分为“三代半”,70年代的1号和2号,90年代的3号和4号,00年代的5号和6号,10年代的7号。它们的复杂和先进程度随着我国航天事业的快速发展很快提升,截至远望7号已是世界顶级水平。

  其中,早在1977年就服役的远望1号和2号从2010年起已不再担任实际任务,携带着十余项一、二、三等功光荣退休,从事纪念、科普教育和卫星任务管理工作。由向阳红10号科考船改造而来的远望4号也已经功成身退。

  目前的主力是远望5、6、7号和老骥伏枥、兢兢业业工作23年的3号。

  远望号火箭运输船

  但远望家族还在近年扩充了新成员。2016年,中国文昌航天发射场投入使用,它有几个重大优点:

  ·        最靠南。绝大多数火箭都是自西向东发射,这里能最大限度借助地球自转速度(距离赤道越近越快),最大限度提高火箭运载能力;

  ·        残骸落区。东部和南部都是大洋,不存在火箭发射阶段残骸(助推器、火箭一级、整流罩)掉落问题,不存在潜在的危害;

  ·         海上运输。传统的三大发射场,酒泉、太原和西昌都需要面临陆路运输的隧道问题,所谓的马屁股决定了火箭直径:马屁股决定了铁路宽度,铁路宽度决定了隧道直径,隧道直径决定了允许通过的火箭最大壳体直径。而经由海运就完全不存在这个问题。

  

  长征七号发射任务执行吊装转运的远望21号(左)和姊妹舰远望22号(右)(图片来源:央广网,中国军网)

  文昌发射火箭最重要的一环,海上运输,就由2013年刚投入使用的火箭运输船远望21和22号完成。由于是完全不同功能的运输船,它们的编号自然不应沿用1到7的传统编号,而是从20系列重新开编。

  我国最新的长征火箭家族主力,长征七号和“大胖子”长征五号(最宽直径已经升至5米),就由远望号从天津搬到文昌。

  远望号到底能做什么?

  前文提到,测量船主要负责航天测控,运输船主要负责大型火箭海上运输。

  ·        “巨无霸”远望号

  远望号所有船舶隶属于中国卫星海上测控部,本文将它与目前经常出镜亮相的我国大型舰艇对比(均是公开信息,各型号排水量数据来自互联网)。

  辽宁号航空母舰是中国最大的军用船舶,304.5米长、满载6.75万吨排水量。在此之前,我国最大的战斗船舶是井冈山船坞登陆舰,210米长,满载2万吨排水量;而最厉害的国防利器,是刚下水的055型导弹驱逐舰,南昌舰,183米长满载1.35万吨满载排水量;非战斗船舶中,最大的是抚仙湖号综合补给舰,171米长,1.5万吨的满载排水量。远望7号测量船与它们对比如下:

  

  可以明显看到远望的体量几乎仅次于辽宁号。当然,能力越大,责任就越大,远望更是如此,它庞大的身躯,主要由于它肩负着太多的责任。

  ·        多功能的远望

  远望号能实现的功能和自身能力,远超大家想象的。对航天器测控远超“千里眼,顺风耳”这么简单,不同星上设备适合的发送机制不同,还要考虑将收到的信息与位于我国本土的飞控站沟通,甚至经由天上的通信卫星和中继卫星进行,因而测量船往往需要覆盖不同频段的通信需求。

  大家应该还有一些中学电磁波基本知识,从频率上说,测量船需要满足无线电广播(MHz级别)、火箭测控L/S/C(1-8 GHz)频段、航天器通信C/X/Ku/K/Ka(4-40 GHz)乃至Q/U/V/E/W(30-110 GHz)甚至更高,如今频段以THz计的激光通信也已日趋成熟,自然都需要远望号身兼数职。每一个都意味着需要背负对应的天线甚至阵列,它们彼此还需要隔开距离,避免信号干扰。

  

  远望6号上有各种雷达和天线,(图片来源:我们的太空微博)

  考虑到它还要有极其精密的导航定位系统,自给长期海上工作能力,气象勘查能力,恶劣环境抗压能力等,一艘船如此之大也很正常了。

  此外,为保证足够的覆盖范围,远望通常需要2艘甚至更多同时出海。

  鹊桥号测控任务出发前往各自预定海域时,远望6和7隔海相望,(图片来源:我们的太空微博)

  ·        远望号工作范围?

  毫无疑问,远望号需要在发射任务前提前出发,前往目标海域。不同航天器测控需求不同,但飞得低的需求最大,例如我国早期的神舟飞船任务,往往需要3-4艘远望同时出发前往太平洋、印度洋甚至大西洋参与测控。杨利伟2003年执行中国首次载人航天任务神舟五号时,彼时在役的远望1(日本海)、2(南太平洋)、3(南大西洋)、4(印度洋)全部出发。

  

  这张杨利伟在太空中展示中国国旗和联合国旗的图片,就由远望4号从印度洋传回。(图源自水印)

  总体上,由于我国的载人航天任务都在南北纬42.5度(国际空间站通常在51.5度),高轨任务(北斗,风云三,通信卫星等)对地可视范围很大,远望号通常只活跃在南北纬60度区间内,足够满足需求。

  远望依然不够,还需要天链

  想必大家也可以想到:远望号毕竟只是茫茫大洋上的“点”,覆盖范围依然有限,即便所有远望同时出发也不可能实现全球无死角覆盖。即便远望已是水上巨无霸,但依然很难有完全超越大型地面测控站的能力,地面测控条件还要好的多。

  因此,远望不可能辅助实现24小时航天器测控。对于天地通话而言,更是困难。还以杨利伟为例,彼时他只能在飞到中国附近卫星测控站时才能与地球联系,无论是跟国防部长通话还是跟家人问候,一次大概5分钟就必须草草结束。

  

  王亚平授课是通过天链一号系统(图片改编自中新网) 

  而到了2013年神舟十号,王亚平就已经能在太空中实现51分钟的太空授课,期间飞船绕了地球大半圈。到了神舟十一号,景海鹏和陈冬已经能看地面电视直播。

  他们依赖的就是我国覆盖全球的四颗信号中继卫星,天链一号,它是世界第二个能实现全球覆盖的中继卫星网络(另一是美国)。天链一号由四颗卫星组成,待在36000千米的高空,构建了天基中继卫星网络,极大弥补了地面和海上测控站的不足。

  因而,我国目前拥有地面、海上(远望)、天上(天链)乃至远达月球(鹊桥号)的复杂航天器测控服务网络,这个庞大的网络,共同在幕后支撑起了我国航天的快速发展。

  
  某次任务时长期出海并在海上度过春节的远望6号(图源:我们的太空微博)

  由于航天测控任务动辄持续几十天乃至数月时间,远望人为了完成使命,也长期处在大海上漂泊的状态,付出的艰辛和努力远超大家想象。

  探海滔天,追星揽月!远望人,值得你点赞! 

  (非常感谢【@我们的太空微博】提供的图片资料) 

  (本文中标明来源的图片均已获得授权)

  出品:科普中国 

  制作:太空精酿 

  监制:中国科学院计算机网络信息中心   

星揽月!远望人,值得你点赞! 

  (非常感谢【@我们的太空微博】提供的图片资料) 

  (本文中标明来源的图片均已获得授权)

  出品:科普中国 

  制作:太空精酿 

  监制:中国科学院计算机网络信息中心 

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