+ 張雪松/squirrel

小衛(wèi)星發(fā)射的選擇

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小衛(wèi)星以其物美價(jià)廉的特點(diǎn)，隨著技術(shù)的進(jìn)步得到了空前的大發(fā)展，但在小衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的樂章中，卻有著不和諧的音符，那就是小衛(wèi)星的發(fā)射問題。航天發(fā)射的報(bào)價(jià)一向居高不下，小型運(yùn)載火箭的單位質(zhì)量發(fā)射價(jià)格更是偏高，而微電子和微機(jī)電技術(shù)的進(jìn)步浪潮下，小衛(wèi)星研制生產(chǎn)成本卻越來越低，這讓運(yùn)載火箭和小衛(wèi)星在成本上的矛盾日益突出。

傳統(tǒng)方式

從過去的歷史來看，小衛(wèi)星不外使用小型運(yùn)載火箭發(fā)射，使用中型運(yùn)載火箭發(fā)射和使用大中型運(yùn)載火箭搭載發(fā)射等方式。目前小衛(wèi)星發(fā)射大行其道的是搭載方式，尤其是新興的微納衛(wèi)星和立方體納衛(wèi)星，更是經(jīng)常選擇更廉價(jià)的搭載方式。

2014年第聶伯號火箭成功進(jìn)行了一次一箭38星的發(fā)射，將310千克的小衛(wèi)星Deimos-2以及搭載的37顆微小衛(wèi)星送入軌道。國際空間站的常態(tài)化貨運(yùn)發(fā)射也提供了搭載的便利，利用安塔瑞斯和獵鷹九號運(yùn)載火箭將小型、微型和納衛(wèi)星作為次級載荷搭載發(fā)射屢見不鮮，甚至成為納衛(wèi)星發(fā)射的主要手段之一。有些微納衛(wèi)星還選擇作為貨物載荷送到國際空間站，然后從國際空間站釋放進(jìn)入軌道，9月17日巴西的立方星Serpens就由日本的HTV-5飛船帶入國際空間站，并部署釋放到近地軌道。

小火箭發(fā)射小衛(wèi)星，是一個十分順理成章的想法。2014年的92次航天發(fā)射中，主要是大中型運(yùn)載火箭的發(fā)射，但也有部分小型運(yùn)載火箭發(fā)射任務(wù)：以色列的Shavit-2火箭和我國的快舟一號火箭各進(jìn)行了一次發(fā)射，俄羅斯的Strela和歐洲的織女星火箭同樣各進(jìn)行了一次發(fā)射，俄羅斯的Rokot火箭則進(jìn)行了兩次發(fā)射。它們發(fā)射的基本是幾百千克的小型衛(wèi)星，尤其是俄羅斯發(fā)射的Strela軍用衛(wèi)星及其民用版Gonets-M衛(wèi)星，質(zhì)量都只有200多千克，但使用的是高度1400千米、傾角82.6度的特殊軌道，根本無法搭載發(fā)射。我國的快舟一號衛(wèi)星著眼空間應(yīng)急應(yīng)用，也無法采用時效性差的搭載發(fā)射方式。

現(xiàn)有的小衛(wèi)星發(fā)射方式盡量回避航天發(fā)射的高成本對小衛(wèi)星的影響，但小衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要更具性價(jià)比和靈活性的發(fā)射方式，這是目前老式小型火箭或是設(shè)計(jì)時主要用于發(fā)射大型衛(wèi)星的大中型火箭心有余而力不足的，在需求的推動下發(fā)射小衛(wèi)星的新型火箭研制呈現(xiàn)井噴之勢。

鹿死誰手

現(xiàn)有的小衛(wèi)星發(fā)射方式盡量回避航天發(fā)射的高成本對小衛(wèi)星的影響，但小衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要更具性價(jià)比和靈活性的發(fā)射方式，這是目前老式小型最具商業(yè)價(jià)值的小衛(wèi)星質(zhì)量為數(shù)百千克，無論是太空探索技術(shù)公司的全球衛(wèi)星通信網(wǎng)、Oneweb衛(wèi)星通信網(wǎng)，還是典型低軌道遙感衛(wèi)星，幾乎都集中在這個范圍內(nèi)。它們體積重量較大，搭載發(fā)射方式不太合適，正是新一代小衛(wèi)星發(fā)射工具爭奪的焦點(diǎn)。

對于低軌道星座成百上千的衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量，老式的一次性運(yùn)載火箭如聯(lián)盟火箭即使一箭多星發(fā)射也多少有些力不從心，太空探索技術(shù)公司推出了復(fù)用型獵鷹九號火箭，維珍銀河公司正在研制空射的發(fā)射器一號，這兩種新型火箭雖然運(yùn)力相差懸殊，但都著眼降低發(fā)射費(fèi)用。目前來看如果未來獵鷹九號火箭能實(shí)現(xiàn)復(fù)用，可能具有更大的優(yōu)勢，發(fā)射器一號雖然通過空射方式提高火箭的運(yùn)載系數(shù)并相應(yīng)降低火箭的大小和質(zhì)量，但火箭畢竟還是一次性的，降低成本的空間有限。不過事無絕對，有航天飛機(jī)重復(fù)使用失敗的前車之鑒，獵鷹九號的重復(fù)使用能降低多少成本還是未知數(shù)。當(dāng)然獵鷹九號在復(fù)用方面采取穩(wěn)健的螺旋研發(fā)模式，在成熟的一次性火箭基礎(chǔ)上一步步摸索前進(jìn)，即使火箭重復(fù)使用沒能達(dá)到理想的效果，如在中近期將獵鷹九號的發(fā)射費(fèi)用降低到700萬美元左右，也仍是一種性價(jià)比相當(dāng)出色的運(yùn)載火箭。發(fā)射器一號空射火箭近地軌道運(yùn)力約為400千克，這樣的小火箭具有研制難度低，制造簡單，綜合成本低的優(yōu)勢，獵鷹九號火箭重復(fù)使用降低成本的努力失敗的話，它和發(fā)射器一號之間鹿死誰手還是未知數(shù)，從經(jīng)濟(jì)上說，可重復(fù)使用的中型運(yùn)載火箭是大批量發(fā)射小衛(wèi)星的最佳選擇。

發(fā)射器一號選擇了小型運(yùn)載火箭的路線，這也是目前風(fēng)行的潮流。Oneweb星座的通信衛(wèi)星質(zhì)量125千克，Skybox遙感衛(wèi)星質(zhì)量小于100千克，其他類似的低軌道星座方案，衛(wèi)星質(zhì)量普遍也不高，對比獵鷹九號那樣近地軌道運(yùn)力超過10噸的火箭，近地軌道運(yùn)力1噸以內(nèi)的小火箭進(jìn)行多星發(fā)射在靈活性和經(jīng)濟(jì)性上要更有優(yōu)勢。獵鷹九號那樣的中型火箭固然可以一箭部署大量小衛(wèi)星，但廉價(jià)小衛(wèi)星數(shù)量一大成本仍然不是一個小數(shù)，更別說發(fā)射失敗引起的部署進(jìn)度的落后甚至整個項(xiàng)目遭遇信任性危機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)了。小型運(yùn)載火箭不僅降低了火箭研制難度，相應(yīng)的降低了火箭的發(fā)射成本，因?yàn)橐患l(fā)射的衛(wèi)星數(shù)量較少，也降低了發(fā)射失敗時引起的損失，同樣的單位發(fā)射成本和發(fā)射成功率下，小型火箭在保險(xiǎn)費(fèi)率上必然更占優(yōu)勢，也就意味著綜合發(fā)射報(bào)價(jià)更低。這種理論絕非閉門造車，歐盟的伽利略導(dǎo)航星座最初曾有阿里安5火箭一箭八星發(fā)射的方案，后來調(diào)整到一箭六星最后降低到一箭四星，在此之前又使用聯(lián)盟火箭一箭雙星發(fā)射伽利略衛(wèi)星，主要的考慮就是降低法發(fā)射失敗的損失。目前歐美新興航天發(fā)射公司蜂擁而至，老牌企業(yè)也在試圖研制小型運(yùn)載火箭，爭奪小衛(wèi)星利潤最豐厚的發(fā)射市場，產(chǎn)生了諸如Firefly、Electron以及Super Strypi這樣的小型運(yùn)載火箭。我國也研制了長征六號、長征十一號和飛天一號等小型運(yùn)載火箭，用于滿足國內(nèi)未來各種低軌道星座小衛(wèi)星的發(fā)射需求。不管重復(fù)使用的獵鷹九號那樣的火箭是否成功，靈活廉價(jià)的小型火箭始終有自己的一席之地。

小型運(yùn)載火箭不僅著眼于滿足100千克以上小衛(wèi)星的發(fā)射需求，它們還適用于一箭多星發(fā)射100千克以下的微衛(wèi)星，而這個領(lǐng)域正在展現(xiàn)出越來越大的商業(yè)和軍用價(jià)值。美國陸軍和國防先進(jìn)研究項(xiàng)目局啟動了鷹眼衛(wèi)星項(xiàng)目，它是一種質(zhì)量約14千克的納衛(wèi)星，但可在近地軌道提供1.5米的全色分辨率，而且成本只有100萬美元。第一顆鷹眼衛(wèi)星可能搭載獵鷹九號火箭在今年年末升空，如果計(jì)劃順利的話可能啟動后續(xù)的全球星座，美軍認(rèn)為30顆鷹眼衛(wèi)星可以提供全天候覆蓋全球的偵察監(jiān)視能力?？梢灶A(yù)見，未來類似鷹眼這樣的微納衛(wèi)星會越來越多，在軍事和商業(yè)上取得更多的進(jìn)展，微納衛(wèi)星即將迎來爆發(fā)性的大增長，中型火箭現(xiàn)在搭載發(fā)射試驗(yàn)性微納衛(wèi)星還能應(yīng)付，但對未來微納衛(wèi)星星座組網(wǎng)需要的發(fā)射靈活性和定制化要求就鞭長莫及了，要滿足商用和軍用微納衛(wèi)星的革命性成長，尤其是它們對運(yùn)載工具提出的廉價(jià)性、靈活性和可靠性的綜合要求，只能靠新一代小型運(yùn)載火箭。我國的長征六號火箭首次發(fā)射一箭二十星，長征十一號火箭一箭四星，其中發(fā)射的主要就是納衛(wèi)星，隨著我國衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，這些微納衛(wèi)星將從試驗(yàn)星走向?qū)嵱眯牵乱淮拈L征六號和十一號小火箭，配合類似鷹眼這樣的小型遙感星和通信星，將帶來我國衛(wèi)星技術(shù)和應(yīng)用的巨大變革，我國新一代長征小火箭的多星發(fā)射也將成為新常態(tài)。

說到及時性，空間應(yīng)急響應(yīng)始終是一個熱門話題。無論是從防災(zāi)減災(zāi)還是補(bǔ)網(wǎng)補(bǔ)盲，快速發(fā)射能力都是一個核心障礙。受限于個人視野，很多人一支認(rèn)為火箭的快速響應(yīng)發(fā)射能力用途不大，因?yàn)樾l(wèi)星的研制生產(chǎn)才是麻煩的核心，衛(wèi)星的研制一般耗時數(shù)年之久，集成測試和發(fā)射準(zhǔn)備測試一般也要幾個月，發(fā)射入軌后還需要一段不短的時間調(diào)試才能交付用戶使用，但衛(wèi)星技術(shù)的迅速發(fā)展讓這一切成了明日黃花。姑且不論美國的空間作戰(zhàn)響應(yīng)（ORS）的進(jìn)展，我國已經(jīng)發(fā)射的快舟一號衛(wèi)星和今年長征十一號發(fā)射的浦江一號衛(wèi)星，都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了快速的地面檢測和及時的在軌交付。浦江一號衛(wèi)星通過全數(shù)字化設(shè)計(jì)、柔性化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和即插即用的通用化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了快速按需配置等多種有效載荷，衛(wèi)星一個星期即可完成發(fā)射準(zhǔn)備，一天完成在軌交付，而軍用的快舟一號衛(wèi)星走的是定制化的道路，在發(fā)射準(zhǔn)備和空間交付速度上更快。這些新型衛(wèi)星的出現(xiàn)，為空間應(yīng)急響應(yīng)的實(shí)現(xiàn)鋪平了道路，而火箭反而成了一個薄弱環(huán)節(jié)，我國為此研制了快舟一號和長征十一號小型固體運(yùn)載火箭，它們的發(fā)射準(zhǔn)備時間都可以壓縮到一天內(nèi)，滿足了應(yīng)急響應(yīng)的發(fā)射需求。美國也研制了Super Strypi火箭，優(yōu)先滿足美國軍方空間應(yīng)急發(fā)射的需求。

綜述

縱觀小衛(wèi)星發(fā)射市場的過去和現(xiàn)在，還沒有一種發(fā)射方式完全兼顧成本、靈活性和性能，未來小衛(wèi)星發(fā)射市場上最大的可能是多種發(fā)射方式并存，不過領(lǐng)頭羊必然發(fā)生變化。搭載發(fā)射方式作為一種重要的小衛(wèi)星發(fā)射方式仍然會存在，但它將逐步喪失價(jià)格低廉的優(yōu)勢，這種方式發(fā)射的小衛(wèi)星數(shù)量所占比例不可避免的下降。從發(fā)射衛(wèi)星的數(shù)量上說，專用的小衛(wèi)星發(fā)射火箭未來將占據(jù)優(yōu)勢，尤其是類似獵鷹九號加多星分配器這樣的火箭，一箭多星部署的低軌道通信衛(wèi)星將占據(jù)主流。從長遠(yuǎn)看，獵鷹九號這樣的中型火箭對應(yīng)商用的需求，而小型火箭可以滿足包括個人需求在內(nèi)的更廣泛的微小衛(wèi)星發(fā)射市場，有望得到更好的發(fā)展。