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日本“一箭多星”發(fā)射現(xiàn)狀及典型實例分析

Case Study of Japan’s Multi-payload Launch

王存恩（北京空間科技信息研究所）

采用“一箭多星”發(fā)射不僅可充分利用火箭的發(fā)射能力，減少不必要的浪費，還可按照所需搭載衛(wèi)星的質量或體積合理地分擔發(fā)射費用，這為中、小型衛(wèi)星乃至立方體衛(wèi)星開啟了好、快、省的發(fā)射之路。

當今，全球航天強國和大國（或地區(qū)），如美國、俄羅斯、歐洲、中國、印度、日本等都掌握并在有效地利用“一箭多星”發(fā)射技術。日本于2009年完成了“一箭八星”發(fā)射，引起了廣泛關注。2014年，H-2A火箭又進行了“一箭八星”發(fā)射。

1　日本“一箭多星”發(fā)射情況

日本的“一箭多星”發(fā)射起步較晚，20世紀80年代中后期至2000年前主要是演練和驗證“一箭多星”發(fā)射技術。1986年8月12日，日本首次利用H-1火箭進行了“一箭三星”發(fā)射，發(fā)射質量為685kg的“紫陽花試驗測地有效載荷”（EGS）（近地點1483km、遠地點1497km）時，成功搭載發(fā)射了質量為50kg的業(yè)余無線電愛好者衛(wèi)星-1（JAS-1）和“磁軸承飛輪實驗裝置”（MABES）。

2002年起至今，日本主要利用H-2A火箭進行“一箭雙星”和“一箭多星”發(fā)射。其中，2002年9月10日，日本利用H-2A火箭成功進行了“一箭雙星”發(fā)射，將質量為1800kg的“下一代空間試驗回收系統(tǒng)”（USERS）送入近地點504km、遠地點519km，傾角30.4°的近圓軌道，隨后將質量為2800kg的“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”（TDRS）送入地球同步轉移軌道（GTO）； 2002年12月14日，日本首次成功進行了“一箭四星”發(fā)射，該次發(fā)射的主載荷為質量約3700kg的日本先進地球觀測衛(wèi)星-2 （ADEOS-2），同時搭載發(fā)射了質量58kg的澳大利亞“聯(lián)合衛(wèi)星”（FEDSAT）和日本千葉工業(yè)大學研制的2顆50千克級小衛(wèi)星；2009年1月，日本首次使用H-2A火箭實現(xiàn)了“一箭八星”發(fā)射，引起廣泛關注。

未來，日本執(zhí)行“一箭多星”發(fā)射的火箭還將包括目前正在驗證中的H-3火箭和已于2013年投入使用的“艾普斯龍”（Epsilon）火箭。

2　日本“一箭八星”發(fā)射實例分析

2014年2月27日，日本使用H-2A 202（標準型）運載火箭執(zhí)行了其第二次“一箭八星”發(fā)射，成功將日美聯(lián)合研制的 “全球降雨觀測”（GPM）衛(wèi)星和7顆微納衛(wèi)星送入預定軌道，衛(wèi)星總質量約3578kg。

日本H-2A火箭以“一箭八星”方式發(fā)射“全球降雨觀測”衛(wèi)星等8顆衛(wèi)星

H-2A 202運載火箭

執(zhí)行此次“一箭八星”發(fā)射的是日本H-2A 202（標準型）運載火箭，該型火箭又稱H-2A F23，是二級液體火箭，捆綁固體火箭助推器，低地球軌道（LEO）和地球同步轉移軌道（GTO）運載能力分別為10t和3.8t。該型火箭全長53m，直徑4m，總質量289t。H-2A 202火箭將8顆衛(wèi)星分列兩層，底層安放7顆搭載發(fā)射的微納衛(wèi)星，上層安放主衛(wèi)星“全球降雨觀測”衛(wèi)星。

H-2A 202運載火箭及其執(zhí)行“全球降雨觀測”衛(wèi)星等8星發(fā)射時的組態(tài)

H-2A 202各級火箭性能和參數(shù)

筑波大學、大阪府立大學、多摩美術大學和鹿兒島大學研制的衛(wèi)星都屬于立方體衛(wèi)星，發(fā)射前搭載在日本宇宙航空研究開發(fā)機構（JAXA）的標準釋放和分離機構（J-POD）上，在預定的軌道上發(fā)射（釋放）。

主衛(wèi)星及其他搭載衛(wèi)星

此次發(fā)射的8顆衛(wèi)星分別為，質量約3500kg的主衛(wèi)星“全球降雨觀測”衛(wèi)星和日本信州大學、香川大學等機構研制的7顆微納衛(wèi)星。

8顆衛(wèi)星情況一覽表

續(xù)表

火箭飛行計劃

以2014年2月27日使用H-2A 202火箭執(zhí)行“一箭八星”發(fā)射為例，介紹其發(fā)射程序。衛(wèi)星配置在整流罩內，必須經(jīng)過一系列的嚴格檢查，當確認穩(wěn)妥無誤后才允許進行燃料加注；調整即將發(fā)射的火箭本體的俯仰面的方位角，使之向前呈94.5°角，按設定的飛行計劃，發(fā)動機點火，搭載“全球降雨觀測”衛(wèi)星和7顆副衛(wèi)星的火箭朝太平洋方向飛去。

利用“全球降雨觀測”衛(wèi)星進行降雨觀測的示意圖

按照計劃，發(fā)射9 4 9 s，火箭首先釋放主衛(wèi)星“全球降雨觀測”衛(wèi)星，隨后，7顆質量在1.3～30kg的微納衛(wèi)星相繼釋放，7顆微納衛(wèi)星質量共計約78kg。

發(fā)射實施地點和投入使用的跟蹤站

本次發(fā)射實施地點為日本種子島航天中心，該中心位于日本鹿兒島縣熊毛郡南種子島町大字莖永。投入使用的跟蹤站包括日本境內的小笠原跟蹤站（位于東京都小笠原村父島字桑之木山）和內之浦空間觀測站（位于鹿兒島縣肝屬郡肝付町南方），以及美國的關島跟蹤站。

3　日本“一箭多星”發(fā)射的主要特點

日本的“一箭多星”發(fā)射采用的是在衛(wèi)星和火箭整流罩間配置“一箭多星”發(fā)射裝置，將衛(wèi)星串聯(lián)安裝在多星發(fā)射裝置上，憑借火箭提供的推力將多顆衛(wèi)星分別送入各自預定的軌道；對于質量小于10kg、體積小于10cm的納衛(wèi)星和皮衛(wèi)星，則采取發(fā)射前就將其搭載在日本宇宙航空研究開發(fā)機構研發(fā)的標準釋放與分離機構上，在預定的軌道上完成這些衛(wèi)星的釋放。

H-2A 202火箭執(zhí)行“一箭多星”發(fā)射飛行程序

2002-2014年，日本利用H-2A火箭共執(zhí)行13次“一箭雙星”或“一箭多星”發(fā)射，其中除1次因火箭故障未能將衛(wèi)星送入預定軌道外，均獲成功，其成功率為92.3%。

日本運載火箭因性能、知名度等原因，以發(fā)射國內衛(wèi)星為主，但其利用“一箭多星”搭載發(fā)射的機會發(fā)射國外衛(wèi)星，為拓展國際發(fā)射服務市場奠定了一定的基礎。日本曾于2002年12月利用發(fā)射“先進地球觀測衛(wèi)星”（ADEOS）的機會，為澳大利亞搭載并成功地發(fā)射了“聯(lián)合衛(wèi)星”。后又于2012年5月利用發(fā)射全球環(huán)境變化觀測任務-水-1 （GCOM-W-1）衛(wèi)星的機會，為韓國搭載發(fā)射了韓國多用途衛(wèi)星-3（KOMPSAT-3）。

4　結語

日本目前主要使用H-2 A火箭執(zhí)行“一箭多星”發(fā)射任務，H-2A火箭近期的“一箭多星”發(fā)射任務中也含有發(fā)射外國衛(wèi)星的計劃，如，日本計劃在2017年發(fā)射其第二顆溫室氣體觀測衛(wèi)星時，搭載發(fā)射阿聯(lián)酋先進科學技術研究所（ELAST）的全色分辨率為0.7m的遙感衛(wèi)星—迪拜衛(wèi)星-3 （DubaiSat-3，現(xiàn)已更名為KhalifaSat）。

依據(jù)日本新《宇宙基本計劃》，H-3火箭將于2020年進行首飛，之后將逐步成為日本的骨干火箭，以其為主，“艾普斯龍”火箭為輔，這兩型火箭將逐漸增加承擔包括“一箭多星”發(fā)射任務在內的國外衛(wèi)星發(fā)射任務，不斷拓展全球航天發(fā)射服務市場，擴大日本航天產(chǎn)業(yè)在國際市場上的占有率，達到其產(chǎn)業(yè)振興的目的。

日本種子島航天中心