卫星太阳帆板的正确打开方式——炸(四声)

首先,这个东西叫太阳帆板,大家好像更习惯叫它太阳能帆板,还有,标题的“炸”是四声,可不是“油炸”的二声,现在咱们开聊!

在一般的卫星发射任务中飞控中心会有两次掌声,第一次是卫星完成星箭分离进入预定轨道时,而这第二次就是宣布卫星太阳帆板打开后了。与卫星入轨相比这太阳帆板打开好像显得太小儿科了,其实,这看似简单的过程可是非常关键并且意义重大的,太阳帆板正常打开后,卫星才具备了完整的能量来源,包括自身的信息接收与传输,使得轨道与姿态的控制得以全面实现,其上所携带的各类载荷也拥有了开机工作的电力条件,没有太阳帆板供电的卫星就是一颗价值数亿甚至数十亿的实心儿铁疙瘩了。

美国GOES-R在洛马公司做太阳帆板测试

历史上,因太阳帆板未打开而失败的卫星不在少数,而且不乏“大腕儿”。帆板打开基本上是“一锤子买卖”,机会只有一次。欧盟设计用于对抗美国GPS导航的伽利略导航群星,相信大家多少都听说过,在2014年8月22日发射的两颗卫星,皆因入轨异常再加上太阳帆板打开失败的双重打击,致使欧空局不得不对外宣布发射失败,直接经济损失数亿欧元;2016年3月13日,俄罗斯发射新一代地球遥感卫星“资源-P3”,入轨后一侧太阳帆板打开失败,由于多载荷的高用电需求,只剩下一边太阳帆板的资源-P3星(重量5.92吨)工作寿命将严重缩短;我国也曾经在这个环节出现过问题,2006年10月29日发射的鑫诺2号通信广播卫星,进入轨道后太阳帆板展开失败,最终在自带蓄电池消耗殆尽后失去工作能力,这颗重达5.1吨,设计寿命超过15年的卫星发射失败,直接损失超过20亿元。

太阳帆板展开后载荷才开机工作

卫星的太阳帆板需要借助一种火工器件——爆炸螺栓。之所以要炸开固定太阳帆板的“锁链”,原因很简单,因为“炸开”满足任务要求。结合航天任务的特殊需要我们可以反推出爆炸螺栓的优势:强度上能承受火箭发射过程中的大过载与振动;结构上非常简单就是一个“金属棍儿”;重量轻体积也是小到不能再小;能耐受数百度的温差;最为关键的就是可靠性非常高!

为了将卫星放进相对狭小寸土寸金的火箭里去,太阳帆板在卫星进入轨道前一直处于折叠压缩状态,从运输、转运到发射环节都不会展开,在火箭箭体力打开不就碰坏了!经过多年摸索与实验积累,科研人员发现用螺栓将要固定的部分锁死是不二之选,只不过,这个螺栓内部是中空的,是装填了炸药的,还可以连通引信,电信号遥控引爆。

圣地亚哥航空航天博物馆保存的早期爆炸螺栓测试高速摄影

引爆后的螺栓可以做到没有碎片,灰常腻害!由于空间任务的特殊性,爆炸螺栓引爆后不能产生多余碎片,否则可能击伤航天器,所以,爆炸螺栓在其结构上提前预制了应力槽,也就是人为制造了更脆弱更容易断开的区域,这样一来,引爆后爆炸螺栓会按照人们设计的断为两三节,并且会乖乖的待在它应该待在的位置。装药也非常讲究,用老中医的话说就是“用法用量都拿捏的相当到位”,使得爆炸螺栓满足强度需求的同时还能轻柔的“释放”太阳帆板,剩下的工作就交给压缩的弹簧和其他结构来完成。

拿一张火箭其他位置的爆炸螺栓剖面图示意,注意图中1号结构

尽管爆炸螺栓非常可靠,但是它毕竟是火工品,是无法对实际使用的产品进行检测的,换句话说,一枚鞭炮,当你点燃它并且听到声响的时候,你才能对它的好坏做出判断,而无论好与坏,它都被引爆过了。所以,爆炸螺栓都是精挑细选出来的,而更多的工作是在挑选完成之后的测试,会有专人将同一批次挑选出来的螺栓全部引爆一遍,比如说你挑了一个出来,同一批还剩下9999个,全部做引爆测试,如果通过率低就再来一批,直到符合要求为止。

各位童鞋应该对太阳帆板展开的玄机有了初步了解!为什么看似简单的一个展开动作却标志着卫星发射成功!而航天人会在这个时候鼓掌,是庆祝,也是释放!


PS:

现在的卫星开始加装“备份”爆炸螺栓,还有的具备了“摇一摇星体”的调整能力,能够进行二次打开尝试!还要新型的熔断式释放结构,已经在Orion ESM卫星上使用。

不光是卫星太阳帆板的固定和展开,包括各级火箭分离、助推器分离、整流罩分离、星箭分离等多种任务环节,从地面发射架的火箭固定,到火箭和航天器本身,再到返回式载人飞行器神舟飞船,处处都能见到爆炸螺栓的身影,在神舟八号飞船上,大大小小各种各样的爆炸螺栓加在一起就超过500个。其实这个神奇的“航天螺栓”在普通人生活中也能用到,只不过你可能不太希望用到,因为,是在汽车的安全气囊里!

by Ocean

中国气象局 国家空间天气监测预警中心