文/田豐

2020年6月13日，美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX公司）使用旗下獵鷹 9火箭執(zhí)行第九次“星鏈”發(fā)射。不同以往的是，此次發(fā)射整流罩內(nèi)除星鏈組網(wǎng)星外，還有3顆美國行星實驗室公司的天星遙感衛(wèi)星“搭車”發(fā)射。因為火箭整流罩內(nèi)空間限制，加之天星遙感衛(wèi)星單星重120千克，運力觸限的火箭只得將載荷中的星鏈組網(wǎng)星從以往60顆縮減為58顆?！靶行菍嶒炇摇狈Q此次搭車合同簽訂后僅6個月就執(zhí)行了發(fā)射。

▲ 端坐在星鏈組網(wǎng)星上面的三顆天星遙感衛(wèi)星

▲ 黑色天空公司的2顆“搭車”衛(wèi)星

▲ “拼車”任務(wù)徽章

一個月之后的8月7日，“星鏈”組網(wǎng)“班車”再次“發(fā)車”。與上一次發(fā)射類似，此次載荷除57顆星鏈組網(wǎng)星外，還有2顆來自黑色天空公司的遙感衛(wèi)星。星箭分離時，兩顆遙感衛(wèi)星先行釋放，隨后星鏈組網(wǎng)星再釋放。

8月18日，在后續(xù)第11次“星鏈”發(fā)射中又有3顆行星實驗室公司的天星遙感衛(wèi)星成功“搭車”。

至此，太空探索技術(shù)公司憑借獵鷹9火箭一級和整流罩的回收復(fù)用，降低了發(fā)射成本，提高了發(fā)射能力，并支撐起星鏈計劃的高密度組網(wǎng)任務(wù)。隨之而來的定期搭車任務(wù)也正式運營，目前已有上百顆衛(wèi)星有意搭車相關(guān)發(fā)射，成為微小衛(wèi)星發(fā)射領(lǐng)域的一匹“黑馬”。

獵鷹9火箭最初只是一款以向國際空間站發(fā)射貨運飛船為設(shè)計目標的中型運載火箭。然而在火箭首飛至今的10年時間和90次發(fā)射（截至8月18日）中，太空探索技術(shù)公司一步步切入微小衛(wèi)星發(fā)射領(lǐng)域，直到今天成為眾多小型運載火箭的“眼中釘、肉中刺”。這個過程是如何發(fā)生的？并不成功的早期嘗試利用運載火箭的額外運力來搭載微小衛(wèi)星入軌，通常是一件“箭星雙贏”的好事，因此太空探索技術(shù)公司早在2010年龍貨運飛船首次軌道測試任務(wù)中就搭載了9顆立方星。據(jù)統(tǒng)計，“獵鷹9”從2010首飛到2017的7年間，發(fā)射任務(wù)主要分為靜止軌道通信衛(wèi)星和國際空間站的貨運任務(wù)兩部分。幾乎每次龍貨運飛船發(fā)射，都會有數(shù)量不等的立方星“搭車”。由于龍貨運飛船一直未能滿載，因此搭車發(fā)射的邊際成本極低。但搭車載荷多為重量10千克級別的試驗性的立方星，因此這階段并無利潤可言。

然而微小衛(wèi)星市場（100～1000千克）在近年間不斷發(fā)展和成熟，自2012年至今入軌量總體呈增長態(tài)勢。尤其是2017～2019年間，600千克以下衛(wèi)星年平均入軌量均高于300顆，其中近地軌道微小衛(wèi)星入軌量占比最大，2017年50千克以下衛(wèi)星占比高達74.1%。業(yè)界預(yù)測未來5～10年微小衛(wèi)星的發(fā)射占比還將進一步提高，反觀以往作為獵鷹 9火箭利潤主要來源的靜止軌道衛(wèi)星近年來則訂單量基本穩(wěn)定，個別年份甚至略有萎縮。

因此，太空探索技術(shù)公司意圖將目標轉(zhuǎn)向更有利可圖的微小衛(wèi)星搭載業(yè)務(wù)，謀劃在已有任務(wù)中選擇主載荷輕、體積小、軌道相對通用的任務(wù)做一次“小衛(wèi)星公交”。首次正式的商業(yè)化搭載任務(wù)是福衛(wèi)5任務(wù)，主星僅重450千克，運力余量充足。太空探索技術(shù)公司委托衛(wèi)星代理太空飛行公司采用Sherpa小衛(wèi)星分配器代理此次任務(wù)。按計劃將有多達64顆衛(wèi)星“搭車”此次任務(wù)，同時刷新人類“一箭多星”紀錄。然而事與愿違，由于主載荷研發(fā)進度拖沓，搭車載荷產(chǎn)生了大量預(yù)期外的協(xié)調(diào)、溝通、排期問題，使得該任務(wù)日期一推再推。而“壓垮駱駝的最后一根稻草”是2016年9月的阿莫斯-6爆炸事故。

事故使得發(fā)射進一步推遲，之后所有56顆“搭車”載荷集體“叛逃”至印度的PSLV火箭，成就了印度的一箭108星任務(wù)。2017年“福衛(wèi)5”任務(wù)最終發(fā)射時僅剩下主星，且由于該發(fā)射合同簽訂于2010年，原定火箭為“獵鷹1”，因此客戶僅付費2300萬美元，遠低于獵鷹9火箭6200萬美元的標準報價。搭車載荷集體退出后，太空探索技術(shù)公司即使明知是“賠本買賣”也只能硬著頭皮發(fā)射。對于太空探索技術(shù)公司的搭載發(fā)射模式來講，“福衛(wèi)5”的嘗試并不成功，同時搭載發(fā)射模式的弊端也初步顯現(xiàn)，相較于以往一箭一星，發(fā)射協(xié)調(diào)和溝通的工作量呈指數(shù)級上升，額外的風(fēng)險和成本難以避免。

▲ 因載荷“叛逃”，“福衛(wèi)5”任務(wù)最終的唯一載荷僅重450千克

▲ SSO-A任務(wù)徽章

▲ SSO-A任務(wù)中的多星分配器

“拼車”發(fā)射上線征訂

太空探索技術(shù)公司并未放棄這項能賺錢的業(yè)務(wù)，終于在2018年12月以一箭64星的模式成功執(zhí)行了首次大規(guī)模“拼車”發(fā)射任務(wù)SSO-A。官方稱其為“小衛(wèi)星特快”（Smallsat Express），其中包括15顆微衛(wèi)星和49顆立方星。發(fā)射后，太空探索技術(shù)公司在媒體上公開反省載荷協(xié)調(diào)和定期發(fā)射的重要性。正所謂吃一塹長一智，太空探索技術(shù)公司重新規(guī)劃了旗下的拼車發(fā)射方案。

2020年2月，太空探索技術(shù)公司醞釀許久的官方微小衛(wèi)星發(fā)射服務(wù)（Ride Share）正式開啟線上預(yù)訂，并公布了介紹頁面和用戶指南。向來發(fā)射噸級載荷的獵鷹9火箭正式殺入千克級別小火箭市場，和“電子號”“織女號”“PSLV”“運載器一號”等火箭展開正面競爭。而且秉承太空探索技術(shù)公司一貫的“價格屠夫”稱號，最低搭載價格僅需100萬美元。有鑒于SSO-A的經(jīng)驗，該業(yè)務(wù)主要針對100～1000千克級別的微小衛(wèi)星，而非時下大熱的立方星（10千克級別）市場。

據(jù)介紹，發(fā)射方式分為“拼車”和“搭車”兩種模式，拼車是指太空探索技術(shù)公司定期組織的微小衛(wèi)星“專列”，客戶衛(wèi)星可用38.1、60.96厘米兩種接口規(guī)格（Mechanical Interface）安裝在專用載荷支架上；搭載發(fā)射則以太空探索技術(shù)公司星鏈發(fā)射為主，也留有部分地球同步轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射（需與主載荷協(xié)調(diào)）。用戶指南中包括了客戶衛(wèi)星的星箭接口、載荷空間、電氣接口等約束，還有振動、噪音、電磁、過載等數(shù)據(jù)，以及保險、服務(wù)流程、發(fā)射場管理、與政府和客戶的責(zé)權(quán)分配和衛(wèi)星狀態(tài)報告格式等。

▲ 分離順序

根據(jù)頁面報價，200千克載荷的太陽同步軌道發(fā)射費用僅需100萬美元，額外每千克加價5000美元。官網(wǎng)提供了發(fā)射費用計算器和發(fā)射排期表，可附帶提供最高200萬美元載荷保險，客戶在線預(yù)定僅需5000美元即可，后續(xù)尾款則分三階段支付。而對手火箭實驗室公司的電子號火箭發(fā)射100千克衛(wèi)星的報價高達570萬美元。不僅如此，相對于中介機構(gòu)價格更是優(yōu)惠，以750千克衛(wèi)星的近地軌道發(fā)射為例，常與太空探索技術(shù)公司合作的中介太空飛行公司報價高達2200萬美元，而太空探索技術(shù)公司自家的頁面報價僅需375萬美元。不過頁面報價通常只是報價參考，具體情況都需詳詢。

目前可供搭車的軌道有近地軌道、太陽同步軌道、地球同步轉(zhuǎn)移軌道等。任務(wù)排期靈活，目前已列出29次任務(wù)。拼車任務(wù)為定期發(fā)射，此外還設(shè)有定期的星鏈搭載任務(wù)，公司還表示2022年后提供更多發(fā)射供客戶選擇。其中，定期的星鏈搭載任務(wù)最為引人注目。得益于太空探索技術(shù)公司的垂直整合能力，星鏈任務(wù)從運載火箭、主載荷到發(fā)射場均由其一手包辦，省去了通常搭載發(fā)射中與主載荷的協(xié)調(diào)和溝通工作。

此外，“星鏈”巨大的組網(wǎng)數(shù)量和日漸成熟的可重復(fù)使用火箭技術(shù)，使“星鏈”成為每月至少一“班”的高密度定期“班車”。而且“星鏈”的目標軌道正是微小衛(wèi)星最為密集的近地軌道，導(dǎo)致其最受客戶青睞，目前已有百余顆衛(wèi)星排期待發(fā)。最關(guān)鍵的是太空探索技術(shù)公司在“星鏈”發(fā)射中攜帶載荷的邊際成本幾乎為0，利潤率十分可觀。

搭載模式之痛：排期、軌道和協(xié)調(diào)

▲ 首飛折戟的“空射新貴”——運載器一號火箭

▲ 成熟后翻車的小衛(wèi)星發(fā)射主力——電子號火箭

事實上，不止太空探索技術(shù)公司，眾多大、中型運載火箭也在針對微小衛(wèi)星推出類似發(fā)射項目。不過，主攻這一市場的小型運載火箭并未坐以待斃，因為拼、搭車模式并非完美無缺。以太空探索技術(shù)公司的SSO-A發(fā)射為例，這次發(fā)射雖表面風(fēng)光，但實際并非一帆風(fēng)順。首先是運力浪費，雖然“上車”衛(wèi)星多達64顆，但總重僅4噸左右，遠低于運力上限。其次，部分客戶頻繁變更搭載方案，SSO-A原定2017年發(fā)射時載荷曾多達70余顆，但由于搭車載荷來自33家客戶，導(dǎo)致不停有載荷中途加入和退出，隨之而來的是載荷清單和搭載方案一變再變，直到發(fā)射累計進行了22次協(xié)調(diào)和方案修改。甚至有部分客戶在衛(wèi)星已經(jīng)裝上適配器后仍未拿到發(fā)射許可，只能鎖死分離器，衛(wèi)星上天后不許分離，發(fā)射結(jié)束后與火箭二級一同再入大氣燒毀。最后，復(fù)雜的拼單任務(wù)還額外帶來了衛(wèi)星識別與跟蹤的問題。發(fā)射后有4顆立方星部署后未能與地面取得聯(lián)系，還有8顆衛(wèi)星因分離密集和軌道近似而無法被客戶“認領(lǐng)”。

SSO-A任務(wù)暴露了搭載發(fā)射服務(wù)模式的固有缺陷。從客戶角度而言，首先是參與發(fā)射相對被動，需要等待合適的任務(wù)，還要經(jīng)主載荷允許，因此排期和等待時間比獨立發(fā)射所需時間更長，導(dǎo)致隱性成本增加。其次，衛(wèi)星需要確認有足夠的荷載空間，而尋找軌道完全匹配的任務(wù)則更加困難。在任務(wù)軌道無法滿足搭載星需求時，一種方案是自行解決，例如搭車“星鏈”的天星遙感衛(wèi)星分離后需獨立將軌道抬升至400公里，因此配備了一臺推力為1牛的無毒推進劑發(fā)動機進行升軌；另一種就是遷就主載荷軌道，這種一般以科研試驗用立方星為主，本身對軌道精度要求不高。最后，一箭多星的載荷越多，協(xié)調(diào)工作就越繁雜，發(fā)射方為盡可能多地搭載，發(fā)射推遲和延后屢見不鮮。

排期、軌道、協(xié)調(diào)方面的劣勢恰好都是小型運載火箭的優(yōu)勢。如果說搭載發(fā)射是“公交車”的話，到站下車，價格便宜就是固有優(yōu)勢；而小型運載火箭則是送達指定地點（軌道）的“專車”。兩種模式本就各有所長，但隨著大中型運載火箭的“市場下沉”，兩種業(yè)務(wù)模式已經(jīng)開始“貼身肉搏”。訂單上的互相擠壓導(dǎo)致一場“微小衛(wèi)星價格戰(zhàn)”在所難免，但去年以來微小衛(wèi)星的主力火箭相繼受挫使市場再生變數(shù)。

▲ STP-2任務(wù)，一次非商業(yè)性的“拼車”任務(wù)

首先是去年7月織女號火箭發(fā)射失敗。然后是今年5月，運載器一號空射火箭首次試射失敗。6月，電子號火箭在執(zhí)行第13次發(fā)射任務(wù)中，火箭二級失去聯(lián)系，任務(wù)失敗。此外印度的PSLV火箭則因新冠疫情等原因，本年度未能進行任何發(fā)射，微小衛(wèi)星專用的SSLV火箭首飛也數(shù)度推遲。

破局：按時發(fā)車、罩內(nèi)上面級

面對拼、搭車發(fā)射的固有缺陷，各方都在尋求突破?；凇案Ｐl(wèi)-5”和SSO-A兩次任務(wù)的教訓(xùn)，太空探索技術(shù)公司在新的發(fā)射模式中最主要的變化就是嘗試固定發(fā)射日期。穩(wěn)定發(fā)射頻率不僅是利用“星鏈”的高密度發(fā)射來實現(xiàn)，對于類似SSO-A的純拼車任務(wù)，太空探索技術(shù)公司還聲稱不會為填充空余運力或等待遲到客戶而推遲發(fā)射，從而向客戶樹立守時和可靠的印象，使其打消對發(fā)射進度的疑慮，放心選擇相應(yīng)的發(fā)射。

對于搭載發(fā)射時不同載荷的軌道問題，主流的解決方案是配備罩內(nèi)上面級，借此服務(wù)多個目標軌道，滿足不同客戶的需求。比如聯(lián)盟系列火箭常用的弗里蓋特上面級，不僅可在搭載任務(wù)中充當(dāng)“擺渡車”角色，將載荷送入不同軌道，也避免了SSO-A任務(wù)中載荷密集分離造成的遙測困難。

無獨有偶，2019年6月，重型獵鷹火箭在STP-2任務(wù)中曾經(jīng)利用火箭二級4次點火將24顆衛(wèi)星分別送入3個軌道面，但這種機會可遇而不可求。大部分多星遙測和軌道問題可能還要由中介或者客戶自行解決。

以代理太空探索技術(shù)公司的“福衛(wèi)5”和SSO-A任務(wù)的太空飛行中介公司為例，該公司并非只代理“獵鷹 9”一款火箭，公司會根據(jù)客戶的需求及對費用的可接受性，根據(jù)發(fā)射窗口和軌道的選擇靈活選定發(fā)射火箭，如“電子號”“心宿二”“織女星”和PSLV。該公司至今在累計30個拼車任務(wù)中發(fā)射了270顆衛(wèi)星，因此深知拼、搭車模式的弊端。為此公司正在第一代多星分配器Sherpa的基礎(chǔ)上研發(fā)“軌道轉(zhuǎn)移飛行器”——Sherpa FX，并預(yù)計于今年底的SXRS-3拼車任務(wù)中投入使用。飛行器配備有獨立的遙測系統(tǒng)，用于追蹤各個分離載荷，避免重蹈SSO-A的覆轍。

▲ 運載器一號火箭示意圖

▲ “軌道轉(zhuǎn)移飛行器”（Orbital Transfer Vehicle）——Sherpa FX

▲ Momentus公司的Vigoride推進模塊

如果客戶想自行變軌又不想自己設(shè)計推進系統(tǒng)，也有對應(yīng)的解決方案。比如Momentus公司的Vigoride推進模塊，這種推進模塊采用以水為推進劑的離子發(fā)動機，無毒無污染，無需壓力容器貯存，比沖高于傳統(tǒng)化學(xué)推進器，推力又高于傳統(tǒng)電推。整個模塊全重80千克，可以為50千克重的衛(wèi)星提供1公里/秒的速度變量。該模塊可以安裝在38.1厘米的標準衛(wèi)星接口上，既可以做多個立方星的小型上面級，也可充當(dāng)單個微小衛(wèi)星的推進系統(tǒng)。該模塊將于年底的“獵鷹 9”搭載任務(wù)首次升空試用。近年來，大中型運載火箭拼搭車模式和小型運載火箭的持續(xù)混戰(zhàn)，不僅催生了技術(shù)的創(chuàng)新和商業(yè)模式的革新，更實質(zhì)性降低了微小衛(wèi)星的發(fā)射成本，又反哺了微小衛(wèi)星市場，使其更加繁榮。市場永遠是在競爭中繁榮，尤其是太空探索技術(shù)公司借力火箭回收和“星鏈”組網(wǎng)大刀闊斧地切入市場，給一眾“小火箭”造成了巨大的生存壓力。但作為客戶來講，永遠都歡迎“鲇魚”的出現(xiàn)。競爭之下，且看各家有何渾身解數(shù)吧。