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國外“一箭多星”發(fā)射現(xiàn)狀及關鍵技術分析

吳勝寶胡冬生（中國運載火箭技術研究院研究發(fā)展中心）

Current Situation and Key Technology of Multi-payload Launch Missions

“一箭多星”是用一枚運載火箭將兩顆以上的衛(wèi)星發(fā)射至預定軌道。“一箭多星”發(fā)射能使單顆衛(wèi)星的發(fā)射費用降低，有助于用大、中型運載火箭發(fā)射多顆中、小型以及微納衛(wèi)星。對于由中小型衛(wèi)星組建全球通信與導航衛(wèi)星網(wǎng)絡系統(tǒng)，從費用、時間以及火箭運載能力來看，最可行的方案是“一箭多星”發(fā)射。伴隨著微小衛(wèi)星技術的快速發(fā)展，“一箭多星”發(fā)射任務的需求將越來越多。

1　發(fā)射統(tǒng)計分析

1960年，美國首次用一枚火箭發(fā)射了兩顆衛(wèi)星，1961年又實現(xiàn)了“一箭三星”發(fā)射。隨后蘇聯(lián)、歐洲航天局實現(xiàn)了“一箭多星”發(fā)射，我國于20世紀80年代實現(xiàn)了“一箭多星”發(fā)射，成為繼美國、蘇聯(lián)、歐洲航天局后第4個掌握“一箭多星”發(fā)射技術的國家。隨后，印度和日本先后掌握了“一箭多星”發(fā)射技術，兩國分別于2008年和2009年完成了“一箭十星”和“一箭八星”的發(fā)射，引起了世界范圍內(nèi)廣泛關注。

2006年至2015年6月近10年間，國外實現(xiàn)“一箭多星”發(fā)射的次數(shù)共有156次（成功149次，失敗7次），占運載火箭總發(fā)射次數(shù)的25.91%。149次成功發(fā)射共將589顆有效載荷送入軌道，平均每次發(fā)射3.95顆衛(wèi)星。除2006年、2008年外，近10年間每年“一箭多星”發(fā)射成功次數(shù)在15～19次之間。

在“一箭四星”以上的發(fā)射任務中，近10年間共進行了59次發(fā)射。其中，俄羅斯23次，次數(shù)最多，并且2014年6月19日“第聶伯”火箭成功完成了“一箭三十七星”發(fā)射，創(chuàng)造了“一箭多星”發(fā)射的新記錄。美國16次，歐洲5次，日本7次，印度8次。在59次“一箭四星”以上的發(fā)射任務中，執(zhí)行低地球軌道（LEO）和太陽同步軌道（SSO）的多星發(fā)射任務一共有51次，占所有任務的86.4%?？梢哉f，國外“一箭多星”發(fā)射的目標軌道主要是低地球軌道和太陽同步軌道。

2006-2015年國外“一箭多星”發(fā)射次數(shù)

2　典型火箭“一箭多星”發(fā)射情況介紹

近1 0年間，俄羅斯執(zhí)行過“一箭多星”發(fā)射任務的火箭主要有聯(lián)盟FG、聯(lián)盟-2.1a/2.1b（弗雷蓋特上面級）、“第聶伯”、宇宙-3M、隆聲-KM；美國執(zhí)行過“一箭多星”發(fā)射任務的火箭主要有德爾他-2、宇宙神-5、人牛怪-1和4以及獵鷹-9火箭；歐洲執(zhí)行過“一箭多星”發(fā)射任務的火箭有阿里安-5、聯(lián)盟ST、“織女星”火箭；日本執(zhí)行過一箭多星發(fā)射任務的火箭有H-2A和2B火箭；印度主要是“極軌衛(wèi)星運載火箭”執(zhí)行“一箭多星”發(fā)射任務?？梢钥闯?，執(zhí)行“一箭多星”發(fā)射任務的火箭不僅有大、中型運載火箭，如阿里安-5、聯(lián)盟-2，也有小型運載火箭，如“織女星”、人牛怪-1。

“第聶伯”火箭“一箭多星”發(fā)射

“第聶伯”火箭是目前“一箭多星”發(fā)射的記錄保持者，在2014年實現(xiàn)了“一箭三十七星”發(fā)射。2007年和2013年該火箭分別成功進行了“一箭十四星”和“一箭三十二星”的發(fā)射任務。“第聶伯”火箭通過多星分配器進行“一箭多星”發(fā)射，在分配器承力筒頂端安裝主任務衛(wèi)星，在分配器承力筒下方的環(huán)形承力盤上安裝多顆小衛(wèi)星，多星布局如圖1所示。

圖1　俄羅斯“第聶伯”火箭多星布局圖

聯(lián)盟-2/“弗雷蓋特”火箭“一箭多星”發(fā)射

聯(lián)盟-2/“弗雷蓋特”火箭是世界商業(yè)發(fā)射市場的主流中型運載火箭，2010年至2015年6月，該火箭4次完成了共24顆第二代“全球星”通信衛(wèi)星的發(fā)射任務。每次任務是“一箭六星”，6顆衛(wèi)星分兩層懸掛在筒式分配器側(cè)壁。上層并聯(lián)懸掛2顆衛(wèi)星，下層并聯(lián)懸掛4顆衛(wèi)星，上、下兩層衛(wèi)星錯開一定角度。發(fā)射任務中，由“弗雷蓋特”上面級將6顆衛(wèi)星部署在920km高度、52°傾角的低地球軌道上。

圖2　聯(lián)盟-2火箭“一箭六星”布局圖

“人牛怪”火箭“一箭多星”發(fā)射

“人牛怪”火箭是近年美國執(zhí)行“一箭多星”發(fā)射任務最多的火箭。2010年，人牛怪-4火箭完成“一箭七星”發(fā)射任務。該火箭采用“盤式多星分配器”（MPA）進行多星發(fā)射，4顆主要衛(wèi)星位于“盤式多星分配器”上，其中1顆衛(wèi)星上安裝有1顆科學技術驗證衛(wèi)星，另外2顆小衛(wèi)星安裝于火箭的第四級上。在任務中，火箭末級首先將7顆衛(wèi)星載荷送入650km高度、傾角72°的低地球軌道上，之后，利用“聯(lián)氨輔助推進系統(tǒng)”（HAPS）把2個火箭技術驗證有效載荷送入高1100km的低地球軌道內(nèi)。

圖3　人牛怪-4火箭“一箭七星”布局圖

阿里安-5火箭“一箭多星”發(fā)射

阿里安-5火箭是歐洲的主力大型火箭，主要用于將通信衛(wèi)星發(fā)射送入地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）。阿里安-5火箭多采用“一箭雙星”發(fā)射方式，雙星通過“阿里安”雙星發(fā)射系統(tǒng)（Sylda-5）在整流罩內(nèi)分層布置。2009年，阿里安-5 ECA型火箭成功實現(xiàn)了“一箭四星”發(fā)射任務，主載荷是2顆通信衛(wèi)星，位于Sylda-5雙星適配器內(nèi)外端，搭載的2顆衛(wèi)星位于有效載荷支架兩側(cè)面。

圖4　阿里安-5 ECA火箭“一箭四星”布局示意圖

印度“極軌衛(wèi)星運載火箭”“一箭多星”發(fā)射

“極軌衛(wèi)星運載火箭”是印度的主力火箭，其在2007-2015年（2012年除外）間幾乎每年都成功完成了“一箭多星”發(fā)射任務。2008年，該火箭以“一箭十星”方式成功將10顆衛(wèi)星發(fā)射升空，衛(wèi)星總質(zhì)量為824kg。發(fā)射885s和930s，火箭先后釋放質(zhì)量較大的2顆衛(wèi)星，隨后，8顆質(zhì)量在3～16kg之間的超小型納衛(wèi)星也相繼釋放，8顆納衛(wèi)星質(zhì)量共50kg，其中6顆捆綁在一起。這枚“極軌衛(wèi)星運載火箭”的有效載荷布局如圖5所示，分配器承力筒頂端安裝主任務遙感衛(wèi)星，在分配器承力筒下方的環(huán)形承力盤上安裝多顆小衛(wèi)星，并且在承力筒側(cè)壁懸掛安裝多顆納衛(wèi)星。

圖5　印度“極軌衛(wèi)星運載火箭”“一箭十星”布局圖

3　關鍵技術分析

多星分離與軌道部署技術

當一次發(fā)射的多顆衛(wèi)星對于軌道高度以及軌道相位沒有較高要求，如搭載發(fā)射多顆微納衛(wèi)星，火箭入軌后，只需要在特定的軌道上將衛(wèi)星依次釋放出，確保分離出的衛(wèi)星之間不發(fā)生碰撞即可。此種任務實施難度相對較小，“第聶伯”火箭以及印度“極軌衛(wèi)星運載火箭”的多星發(fā)射任務大多屬于此種情況。

當一次發(fā)射的多顆衛(wèi)星對于軌道高度或軌道相位有較高要求時，實施“一箭多星”發(fā)射任務，運載火箭在傳統(tǒng)技術基礎上還必須有一個先進的上面級，通過上面級的多次點火、起動，機動至同一軌道面不同相位處或者不同軌道高度處，完成衛(wèi)星分離及軌道部署，以滿足不同衛(wèi)星入軌的相位或高度要求。聯(lián)盟-2火箭“一箭六星”發(fā)射任務以及“隆聲”火箭“一箭三星”發(fā)射任務中，便是通過“弗雷蓋特”上面級、“微風”上面級實現(xiàn)衛(wèi)星的精確入軌。

圖6　“微風”上面級“一箭三星”布局示意圖

采用上面級進行多星發(fā)射及軌道部署，可以利用上面級的強機動性，減少多星部署的時間，降低衛(wèi)星本體的機動性能要求。相較于傳統(tǒng)的火箭末級，上面級需要具備多次起動、長時間在軌的能力，如執(zhí)行同一軌道面內(nèi)不同相位要求的“一箭十星”發(fā)射任務，上面級必須要具備18次起動能力，在軌時間需要數(shù)天。

此外，通過空間站釋放微小衛(wèi)星也成為微小衛(wèi)星分離及軌道部署的重要手段。2014年1月8日，美國“安塔瑞斯”火箭在發(fā)射“天鵝座”飛船時，將33顆小衛(wèi)星發(fā)射到“國際空間站”，并隨后從“國際空間站”釋放入軌。2014年全年，成功進入空間站的航天器數(shù)量達到67個，已經(jīng)釋放了47個。

多星分配器設計技術

衛(wèi)星分配器用于提供衛(wèi)星在火箭整流罩內(nèi)的安裝布局位置。目前，多星發(fā)射的方式主要有兩大類，一類是規(guī)模相當?shù)亩囝w衛(wèi)星一次發(fā)射，如衛(wèi)星星座中導航衛(wèi)星、通信衛(wèi)星等，每顆衛(wèi)星的質(zhì)量、尺寸基本上一樣，多星分配器可采用中心承力筒式多星分配器或盤式多星分配器，衛(wèi)星在整流罩內(nèi)的布局方式如圖2、圖3所示。另一類是搭載發(fā)射，在多顆衛(wèi)星中，一顆是主任務衛(wèi)星，另外的幾顆微納衛(wèi)星為搭載衛(wèi)星，主任務衛(wèi)星一般多位于衛(wèi)星分配器的頂端，搭載衛(wèi)星多在分配器的側(cè)壁或下方四周，衛(wèi)星在整流罩內(nèi)的布局方式如圖1、圖5所示。

圖7　中心承力筒式及圓盤式多星分配器多星布局示意圖

隨著“一箭多星”發(fā)射任務的增加，為提高搭載效率和減小分離沖擊，國外研制了多種新型的多星分配器，如美國“改進型一次性運載火箭次級有效載荷分配器”（ESPA）。該分配器為筒形結(jié)構(gòu)，下端面為其與運載火箭或上面級的接口，上端面為主任務衛(wèi)星接口，側(cè)壁根據(jù)小衛(wèi)星的接口形式，周向均布多個小衛(wèi)星接口。這種分配器及多星發(fā)射布局設計極大地減小了次級有效載荷對主任務衛(wèi)星的影響，合理地利用了多星分配器及整流罩內(nèi)的空間。

針對立方體衛(wèi)星（CubeSat）的搭載任務，美國加州理工大學和斯坦福大學研制了“多皮衛(wèi)星在軌分配器”（P-POD）。多顆立方體衛(wèi)星在“多皮衛(wèi)星在軌分配器”內(nèi)并排布置，當星箭分離時，艙門的解鎖裝置分離，艙門在底部的扭簧作用下打開，作用在艙底的主分離彈簧由于去掉了艙門的位置限制，推動活動底板，將衛(wèi)星逐個從艙底向艙口推出，衛(wèi)星的導向是靠艙內(nèi)四角的導軌實現(xiàn)。根據(jù)衛(wèi)星數(shù)量的不同，還可以有單星“多皮衛(wèi)星在軌分配器”、雙星“多皮衛(wèi)星在軌分配器”和多星“多皮衛(wèi)星在軌分配器”等多種規(guī)格?！岸嗥ばl(wèi)星在軌分配器”可以在多種運載火箭上搭載使用，從2003年開始，已經(jīng)有多顆立方體衛(wèi)星通過“多皮衛(wèi)星在軌分配器”實現(xiàn)搭載發(fā)射。

圖8　ESPA多星分配器及多星發(fā)射布局示意圖

圖9　“多皮衛(wèi)星在軌分配器”示意圖

衛(wèi)星微小型化和標準化技術

衛(wèi)星平臺與載荷的微小型化和標準化也是進行“一箭多星”發(fā)射的核心技術之一。在微小型衛(wèi)星搭載任務中，主載荷完成布局后，留給微小型衛(wèi)星的空間和重量均非常有限。衛(wèi)星需要采用標準化設計，簡化接口，降低質(zhì)量和尺寸。隨著微電子、微光機電和集成電路技術不斷發(fā)展，衛(wèi)星小型化趨勢不斷加速。目前快速發(fā)展的立方體衛(wèi)星便是一個典型，單個立方體衛(wèi)星的質(zhì)量只有約1kg，尺寸只有10cm×10cm×10cm。立方體衛(wèi)星的研制以及標準化，降低了“一箭多星”發(fā)射任務時衛(wèi)星布局和分離的難度。

多星發(fā)射地面測控技術

“一箭多星”發(fā)射入軌，對于地面測控系統(tǒng)壓力增大。其測控數(shù)據(jù)由傳統(tǒng)的1～2顆增加到幾顆、十幾顆，測控能力要求增加。為了滿足“一箭多星”的發(fā)射任務需求，需要從兩方面解決多星測控問題：一方面在衛(wèi)星設計和研制中，重點解決衛(wèi)星的自主運行管理與測控問題，減輕地面測控壓力；另一方面需要對地面測控系統(tǒng)進行優(yōu)化配置，采用先進的地面多星測控技術，在有限的測控時間內(nèi)完成對多顆衛(wèi)星的運行管理與測控任務。

4　結(jié)束語

從20世紀60年代開始，航天大國便開始進行“一箭多星”發(fā)射。近10年間，國外“一箭多星”發(fā)射次數(shù)占運載火箭總發(fā)射次數(shù)的1/4左右，發(fā)射方式有“一箭多星”發(fā)射和搭載發(fā)射；衛(wèi)星在軌道上可通過火箭末級、上面級、飛船或空間站進行部署。

微小型衛(wèi)星技術的高速發(fā)展，尤其是立方體衛(wèi)星技術和相關標準的不斷成熟，多星發(fā)射的需求將會越來越多，并將成為微小衛(wèi)星低成本進入空間的主要手段。