姜秀鵬 傅丹膺 李黎 常新亞 （航天東方紅衛(wèi)星有限公司）

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發(fā)展空基發(fā)射小衛(wèi)星技術(shù)的意義和途徑

姜秀鵬 傅丹膺 李黎 常新亞 （航天東方紅衛(wèi)星有限公司）

Significance and Means of Developing Technologies for Air Launching Small Satellite

隨著小衛(wèi)星功能密度的增加，小衛(wèi)星的發(fā)射市場(chǎng)呈現(xiàn)出日益增長(zhǎng)的勢(shì)頭。目前的小衛(wèi)星多數(shù)是采用陸基運(yùn)載火箭發(fā)射，相對(duì)發(fā)射費(fèi)用高，準(zhǔn)備周期長(zhǎng)，與日益增長(zhǎng)的小衛(wèi)星發(fā)射需求不相適應(yīng)，急需尋找一種能夠以負(fù)擔(dān)得起的成本將小衛(wèi)星送入太空的方法。而空基發(fā)射由于具有機(jī)動(dòng)、靈活、高效、廉價(jià)等優(yōu)勢(shì)，成為一種必然選擇。

1 引言

空基發(fā)射小衛(wèi)星是指利用載機(jī)將運(yùn)載火箭攜帶到一定高度釋放，運(yùn)載火箭攜帶有效載荷入軌，載機(jī)安全返回地面的空天運(yùn)載模式。其目的是利用空基發(fā)射機(jī)動(dòng)靈活的優(yōu)勢(shì)，形成快速進(jìn)入空間的能力。與其他發(fā)射方式相比，空基發(fā)射衛(wèi)星具有發(fā)射費(fèi)用低、發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間短、機(jī)動(dòng)性及靈活性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，故在技術(shù)條件成熟的情況下是一個(gè)較好的選擇。

空基發(fā)射小衛(wèi)星概念具有極高的軍民應(yīng)用價(jià)值及廣闊的應(yīng)用前景，世界上以美國為首的航天大國均十分重視發(fā)展空基發(fā)射衛(wèi)星技術(shù)。1990年4月5日，美國“飛馬座”運(yùn)載火箭第一次試飛成功，宣告了空射時(shí)代的到來。在此基礎(chǔ)上，美國又發(fā)展了飛馬座－XL。到目前為止，“飛馬座”和飛馬座－XL先后發(fā)射了多顆軍用小衛(wèi)星和民用小衛(wèi)星，每次發(fā)射費(fèi)用僅為地面發(fā)射同樣常規(guī)火箭時(shí)的1/2。

國外特別是美國的空基發(fā)射小衛(wèi)星技術(shù)正在快速發(fā)展，并已經(jīng)呈現(xiàn)出多平臺(tái)發(fā)展的趨勢(shì)，需要引起高度重視。

2 國外空基發(fā)射小衛(wèi)星技術(shù)的現(xiàn)狀

“飛馬座”小型空射運(yùn)載火箭

美國“飛馬座”運(yùn)載火箭是迄今為止世界上唯一投入商業(yè)運(yùn)營的空射運(yùn)載火箭，由美國軌道科學(xué)公司和赫爾克里士航空航天公司合資組成的風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)投資并負(fù)責(zé)研制，從1990年4月5日開始進(jìn)行發(fā)射，主要用于將小型衛(wèi)星送入近地軌道，進(jìn)行微重力試驗(yàn)、材料試驗(yàn)、通信、定位、地球資源探測(cè)或完成其他特殊任務(wù)。該火箭分為標(biāo)準(zhǔn)型和加長(zhǎng)型XL，采用下掛式發(fā)射，整流罩長(zhǎng)1.83m、直徑1.17m，可將272kg的衛(wèi)星送入463km的極地圓軌道, 其發(fā)射費(fèi)用為地面常規(guī)火箭的一半。

“飛馬座”火箭發(fā)射衛(wèi)星

“火箭飛機(jī)”發(fā)射衛(wèi)星

“空中發(fā)射輔助太空進(jìn)入”項(xiàng)目

美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）于2011年發(fā)布了“空中發(fā)射輔助太空進(jìn)入”（ALASA)計(jì)劃，擬采用改進(jìn)的F－15E戰(zhàn)斗機(jī)作為載機(jī)，外掛運(yùn)載，目標(biāo)是能夠以低于100萬美元的單次發(fā)射成本發(fā)射質(zhì)量約45kg的衛(wèi)星。這將為低成本小型衛(wèi)星的廣泛使用鋪平道路。同時(shí)，該火箭在更換載荷之后，亦能執(zhí)行反衛(wèi)星任務(wù)。

DARPA原計(jì)劃在2015年末進(jìn)行第一次飛行驗(yàn)證，2016年上半年進(jìn)行第一次軌道發(fā)射，然后根據(jù)測(cè)試結(jié)果，將在2016年夏季進(jìn)行12次演示驗(yàn)證發(fā)射。但由于兩次機(jī)載系統(tǒng)燃料試驗(yàn)失敗，近期，DARPA宣布取消2016年的飛行試驗(yàn)計(jì)劃。

平流層發(fā)射系統(tǒng)項(xiàng)目

美國正在發(fā)展一款由私營公司研制、綽號(hào)為“大鳥”的超級(jí)“火箭飛機(jī)”，該機(jī)翼展117m,長(zhǎng)度72m，質(zhì)量544311kg，最大速度850km/h，設(shè)計(jì)搭載6個(gè)波音747級(jí)別的發(fā)動(dòng)機(jī)，預(yù)計(jì)在2016年首飛，可以將火箭運(yùn)至空中發(fā)射，將6.1t的衛(wèi)星送入180～2000km的近地軌道。

發(fā)射者－1空射小型運(yùn)載火箭

維珍銀河公司2012年已經(jīng)開始研制小型衛(wèi)星發(fā)射火箭發(fā)射者－1?；鸺龑脑摴景咨T士－2載機(jī)上發(fā)射，能發(fā)射最高質(zhì)量為225kg的衛(wèi)星，預(yù)計(jì)完成這一任務(wù)的價(jià)格可能低于1000萬美元，將為商業(yè)小衛(wèi)星提供發(fā)射服務(wù)。其首次商業(yè)飛行可能在2016年執(zhí)行。

白色騎士－2飛行圖

飛行號(hào)空射運(yùn)載火箭項(xiàng)目

飛行號(hào)是俄羅斯于20世紀(jì)90年代提出的項(xiàng)目，以安－124運(yùn)輸機(jī)為平臺(tái)，計(jì)劃掛載近百噸級(jí)運(yùn)載火箭，具備將2～3t衛(wèi)星送入200km近地軌道的能力。項(xiàng)目原計(jì)劃于2003年年底進(jìn)行首飛，后因技術(shù)及資金問題而被擱置。2012年，俄羅斯宣布與印度尼西亞合作重啟空中發(fā)射項(xiàng)目，并計(jì)劃于2020年實(shí)施“空中發(fā)射”方案，載機(jī)選為安－225飛機(jī)。

國外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

總結(jié)國外空基發(fā)射衛(wèi)星的發(fā)展情況，可以看出：

1）在空基發(fā)射衛(wèi)星方面，美國處于領(lǐng)先地位，技術(shù)成熟，涌現(xiàn)出多個(gè)型號(hào)，發(fā)射平臺(tái)包括大型運(yùn)輸機(jī)、遠(yuǎn)程轟炸機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、特種載機(jī)等，呈現(xiàn)多平臺(tái)發(fā)展趨勢(shì)；投放方式覆蓋下掛式、內(nèi)裝式等，投放能力覆蓋區(qū)間不斷擴(kuò)大，各項(xiàng)能力持續(xù)提升，呈現(xiàn)系列化發(fā)展趨勢(shì)。

2）空基發(fā)射小衛(wèi)星的發(fā)射費(fèi)用進(jìn)一步降低，衛(wèi)星的發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間由天級(jí)進(jìn)一步縮短到小時(shí)級(jí)。

3）私營公司不斷進(jìn)入空基發(fā)射衛(wèi)星領(lǐng)域，參與熱情高，未來有望成為主要力量。

3 發(fā)展空基發(fā)射小衛(wèi)星技術(shù)的意義

發(fā)展空基發(fā)射衛(wèi)星技術(shù)的重要意義體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）手段多樣性。衛(wèi)星進(jìn)入空間的方式主要包括陸基發(fā)射、?；l(fā)射及空中發(fā)射等3種方式，對(duì)于只有陸基發(fā)射的國家，通過空基發(fā)射實(shí)現(xiàn)發(fā)射手段多樣化的需求迫切。

2）戰(zhàn)時(shí)生存性。固定發(fā)射場(chǎng)的數(shù)量少，在戰(zhàn)爭(zhēng)中易受到破壞，而空基發(fā)射可在數(shù)量較多的機(jī)場(chǎng)設(shè)施中機(jī)動(dòng)選擇起飛發(fā)射，戰(zhàn)場(chǎng)生存能力強(qiáng)。發(fā)射衛(wèi)星時(shí)不依賴地基和海基測(cè)控，不依托大規(guī)模地基支持。

3）軍民結(jié)合性?？栈l(fā)射衛(wèi)星系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)“平戰(zhàn)結(jié)合、寓軍于民”，平時(shí)是一種低成本的衛(wèi)星發(fā)射系統(tǒng)，戰(zhàn)時(shí)可迅速更換載荷變成防天反衛(wèi)系統(tǒng)。

4）時(shí)空靈活性。一是點(diǎn)位任意，空基發(fā)射衛(wèi)星不受限于地面發(fā)射陣位，發(fā)射點(diǎn)不受限于天氣、國土范圍和地形；二是射向任意，可不考慮火箭殘骸落區(qū)；三是傾角任意，可發(fā)射任意傾角的軌道且不需要進(jìn)行軌道轉(zhuǎn)移，目前只有空射可以做到入軌當(dāng)圈工作且實(shí)現(xiàn)高重訪；四是時(shí)間任意，由于發(fā)射點(diǎn)位可選擇性大，因此發(fā)射時(shí)間窗口大大拓寬。

5）快速機(jī)動(dòng)性?？栈l(fā)射可在大范圍內(nèi)快速機(jī)動(dòng)到任意地區(qū)發(fā)射衛(wèi)星，是陸地等常規(guī)手段無法比擬的；從任務(wù)下達(dá)到衛(wèi)星入軌工作，空基發(fā)射比現(xiàn)在最快的地面固體運(yùn)載機(jī)動(dòng)發(fā)射（約為24h）要快4倍以上。

6）任務(wù)隱蔽性。可選擇地域偏遠(yuǎn)地區(qū)的機(jī)場(chǎng)起飛發(fā)射，任務(wù)隱蔽性高。

7）費(fèi)用低廉性。由于載機(jī)/運(yùn)載火箭系統(tǒng)是一個(gè)部分重復(fù)使用的系統(tǒng)，因此，空射運(yùn)載火箭可顯著降低單位有效載荷的發(fā)射費(fèi)用。

可以看出，空基發(fā)射小衛(wèi)星系統(tǒng)作為實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星發(fā)射方式多樣化及提高戰(zhàn)時(shí)生存性的有效手段，具有重要的戰(zhàn)略意義，應(yīng)作為一國航天工業(yè)的重要發(fā)展方向并給予支持。

4 空基發(fā)射小衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展途徑

空基發(fā)射小衛(wèi)星系統(tǒng)包括航空平臺(tái)、空射運(yùn)載、衛(wèi)星系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)等四大部分，應(yīng)針對(duì)空基發(fā)射小衛(wèi)星系統(tǒng)的特點(diǎn)協(xié)調(diào)發(fā)展，可采用“成熟技術(shù)先行、后續(xù)穩(wěn)步推進(jìn)”的發(fā)展策略。

航空平臺(tái)

從國外發(fā)展情況來看，航空平臺(tái)可優(yōu)先采用現(xiàn)有成熟飛機(jī)平臺(tái)，如轟炸機(jī)、運(yùn)輸機(jī)或大型客機(jī)進(jìn)行改裝，采用機(jī)腹下掛運(yùn)載的方式發(fā)射衛(wèi)星。采用這種發(fā)射方式的分離比較簡(jiǎn)單，但運(yùn)載器的尺寸受到限制，運(yùn)載能力有限，僅能發(fā)射輕小型的衛(wèi)星，制約了衛(wèi)星的功能和性能。因此，未來可繼續(xù)發(fā)展大型航空平臺(tái)，采用機(jī)艙內(nèi)裝式運(yùn)載發(fā)射衛(wèi)星。

空射運(yùn)載

可在已有運(yùn)載的基礎(chǔ)上進(jìn)行預(yù)研攻關(guān)，與航空平臺(tái)協(xié)同設(shè)計(jì)，滿足航空平臺(tái)對(duì)質(zhì)量、尺寸（受起落架高度限制）的要求，條件成熟后開展飛行演示驗(yàn)證，先驗(yàn)證關(guān)鍵技術(shù)，形成能力，并進(jìn)行衛(wèi)星的搭載發(fā)射試驗(yàn)。未來隨著航空平臺(tái)的發(fā)展，將進(jìn)一步發(fā)展機(jī)艙內(nèi)裝式運(yùn)載，發(fā)射衛(wèi)星的質(zhì)量和尺寸可進(jìn)一步加大。

衛(wèi)星系統(tǒng)

基于空射運(yùn)載的特點(diǎn)，空基發(fā)射小衛(wèi)星系統(tǒng)需要考慮以下幾方面的設(shè)計(jì)問題：

1）衛(wèi)星應(yīng)實(shí)現(xiàn)低成本設(shè)計(jì)。空基發(fā)射衛(wèi)星的運(yùn)行軌道一般都比較低，空間輻射劑量相對(duì)較小，并且衛(wèi)星以應(yīng)急應(yīng)用為主，因此衛(wèi)星適宜采用低成本設(shè)計(jì)技術(shù)，如采用異構(gòu)備份技術(shù)、“商用現(xiàn)貨產(chǎn)品”（COTS）器件應(yīng)用技術(shù)、軟件星技術(shù)及管理流程優(yōu)化技術(shù)等。

2）衛(wèi)星系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)輕量化、小型化。受空射運(yùn)載能力的限制，衛(wèi)星需要進(jìn)行構(gòu)型的優(yōu)化，如立方體衛(wèi)星、細(xì)長(zhǎng)型構(gòu)型、體裝式太陽電池陣等。為了實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的輕量化，需要開展結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)工作，采用輕量化材料，星上電子設(shè)備采用綜合化、一體化、集成化設(shè)計(jì)技術(shù)，打破嚴(yán)格的分系統(tǒng)劃分，根據(jù)星上計(jì)算機(jī)的處理能力，整星只設(shè)計(jì)1臺(tái)或2臺(tái)中心計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)遙測(cè)遙控及星上事務(wù)管理，其余的通信設(shè)備、敏感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等只做星上中心計(jì)算機(jī)的外圍設(shè)備。

3）衛(wèi)星系統(tǒng)需要采用力學(xué)加固或減振設(shè)計(jì)。由于空基發(fā)射的運(yùn)載火箭多為固體運(yùn)載，相比常規(guī)的液體運(yùn)載，其存在的典型問題是過載較大，需要采用有效的減振和隔振措施，如采用金屬橡膠隔振器或形狀記憶合金（SMA）減振墊來達(dá)到減振和隔振效果。

星上電子信息拓?fù)鋱D

4）衛(wèi)星系統(tǒng)要適應(yīng)水平對(duì)接和運(yùn)輸。在發(fā)射衛(wèi)星時(shí)，空基發(fā)射運(yùn)載火箭在絕大部分時(shí)間里都是呈水平狀態(tài)，衛(wèi)星系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)與運(yùn)載火箭的水平對(duì)接、水平運(yùn)輸，并在空中實(shí)現(xiàn)水平發(fā)射。因此，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要適應(yīng)這種水平狀態(tài)，并采用合適的星箭對(duì)接接口，如采用4點(diǎn)分離螺母的形式，可適應(yīng)水平狀態(tài)的快速對(duì)接。

5）衛(wèi)星系統(tǒng)要解決發(fā)射時(shí)的結(jié)露問題。在發(fā)射衛(wèi)星時(shí)，載機(jī)攜帶運(yùn)載在10000m以上的高空飛行時(shí)，水平飛行的持續(xù)時(shí)間有可能超過0.5h，如果不采取熱控措施，則整流罩內(nèi)的溫度有可能低于-30℃，會(huì)造成星上的光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生結(jié)露問題。因此，需要衛(wèi)星采用適當(dāng)?shù)臒峥卮胧?，或通過載機(jī)、運(yùn)載實(shí)現(xiàn)整流罩內(nèi)的溫度調(diào)節(jié)。

測(cè)控系統(tǒng)

測(cè)控系統(tǒng)可依托于現(xiàn)有的地基和天基測(cè)控系統(tǒng)。另外，為適應(yīng)空基發(fā)射所具有的大范圍快速機(jī)動(dòng)特點(diǎn)，可發(fā)展相應(yīng)的機(jī)動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)，如地面移動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)、機(jī)載測(cè)控系統(tǒng)等，為運(yùn)載火箭和任務(wù)衛(wèi)星提供發(fā)射期間的測(cè)控保障。

5 結(jié)束語

隨著小衛(wèi)星發(fā)射需求的日益增長(zhǎng)，空基發(fā)射衛(wèi)星技術(shù)正成為航空和航天技術(shù)結(jié)合的一個(gè)熱點(diǎn)，在有效降低衛(wèi)星發(fā)射費(fèi)用及空間力量應(yīng)急增強(qiáng)方面具有重要意義，其在軍事和民用方面的應(yīng)用前景是十分廣闊的，必將成為未來的重點(diǎn)發(fā)展方向。