文 / 楊開

2020年9月3日，阿里安航天公司成功利用織女星小型火箭執(zhí)行“小衛(wèi)星任務(wù)系統(tǒng)”方案驗(yàn)證任務(wù)?？椗腔鸺?019年7月遭遇失利之后，成功實(shí)現(xiàn)復(fù)飛。

織女星火箭共發(fā)射了53顆微小衛(wèi)星，來自13個(gè)國家的21個(gè)用戶，其中7顆是質(zhì)量在15～150千克之間的微衛(wèi)星，另外46顆為0.25U～6U的立方星，衛(wèi)星及適配器的總重大約為1310千克。在7顆微小衛(wèi)星中有一顆比較特殊，稱為“ION衛(wèi)星載具”，是意大利D-軌道公司的立方星部署裝置，本身搭載了12顆立方星。如果把這12顆衛(wèi)星算上，織女星火箭此次實(shí)際上共將65個(gè)載荷送入了太空。

▲ 火箭起飛

完善歐洲火箭型譜最后一環(huán)

執(zhí)行本次任務(wù)的織女星火箭為四級(jí)小型運(yùn)載火箭，700公里太陽同步軌道運(yùn)載能力1430千克?；鸺捎萌?jí)固體加常溫液體上面級(jí)的四級(jí)構(gòu)型，其上面級(jí)是從烏克蘭引進(jìn)，稱為“姿態(tài)微調(diào)上面模塊”（AVUM），具備多次啟動(dòng)能力。

截至2020年9月3日，織女星火箭共執(zhí)行15次發(fā)射任務(wù)，遭遇1次失利。2019年7月，“織女星”在執(zhí)行阿聯(lián)酋的獵鷹眼軍事偵察衛(wèi)星發(fā)射時(shí)，由于二級(jí)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)失效導(dǎo)致發(fā)射失敗，星箭俱毀，造成航天領(lǐng)域史上最高的保險(xiǎn)賠付金額——3.69億歐元。而事故原因是由于質(zhì)量檢測(cè)環(huán)節(jié)沒有發(fā)現(xiàn)二子級(jí)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)厚度比設(shè)計(jì)值低，火箭帶著問題上天，最終導(dǎo)致發(fā)射失敗。

織女星火箭由歐空局出資，意大利艾維歐公司研制，阿里安航天公司負(fù)責(zé)發(fā)射服務(wù)運(yùn)營，自2012年投入使用，在阿里安5大型火箭以及從俄羅斯引進(jìn)的聯(lián)盟號(hào)ST中型火箭之后，彌補(bǔ)了歐洲在1噸左右的小型載荷發(fā)射能力上的缺失，形成了完整的運(yùn)載火箭型譜。近年來，隨著微小衛(wèi)星的快速發(fā)展，衛(wèi)星尺寸和質(zhì)量出現(xiàn)更大幅度的下降之后，“織女星”也順理成章地成為歐洲進(jìn)行小衛(wèi)星拼車發(fā)射任務(wù)驗(yàn)證和應(yīng)用的試驗(yàn)田。

歐洲還在研制運(yùn)載能力更大的織女星C火箭。該火箭采用更大規(guī)模的一二子級(jí)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，運(yùn)載能力提升到2噸以上，任務(wù)范圍也大幅拓展，不僅能夠利用SSMS執(zhí)行多星拼車發(fā)射服務(wù)，還能夠配合電推力上面級(jí)將載荷送入同步軌道，或者配合“太空騎手”軌道飛行器將載荷返回地面，能夠吸引更多的微小衛(wèi)星廠商。

▲ 織女星共發(fā)射53顆小衛(wèi)星（實(shí)際65個(gè)載荷）

▲ 織女星火箭三子級(jí)、上面級(jí)和整流罩內(nèi)的載荷

SSMS拼車發(fā)射系統(tǒng)解決方案

本次任務(wù)的重要目標(biāo)就是驗(yàn)證稱為“小衛(wèi)星任務(wù)系統(tǒng)”（SSMS）的微小衛(wèi)星拼車發(fā)射服務(wù)方案。阿里安航天公司將SSMS的任務(wù)形式分為兩類：第一類就是專門為多顆微小衛(wèi)星提供拼車發(fā)射服務(wù)，就像本次任務(wù)一樣，53顆衛(wèi)星之間并不區(qū)分主次；第二類是在有1顆主星的情況下，可以為主星匹配多顆微小衛(wèi)星。SSMS能夠匹配的衛(wèi)星類型非常廣泛，質(zhì)量范圍覆蓋0.2千克到500千克之間，再配合上述兩種任務(wù)類型，能夠提供非常靈活的發(fā)射機(jī)會(huì)，對(duì)于微小衛(wèi)星廠家而言具有很大的吸引力。在SSMS方案下，為了實(shí)現(xiàn)大量小衛(wèi)星的拼車發(fā)射，重點(diǎn)要解決以下三個(gè)方面的問題。

緊湊造型——結(jié)構(gòu)和尺寸如何容納眾多大小不一的小衛(wèi)星？

為了實(shí)現(xiàn)SSMS，關(guān)鍵是能夠匹配大量小衛(wèi)星的分配器。SSMS的“樂高式”分配器將有效載荷空間分為上下兩部分：下部采用六棱柱支撐模塊，可以容納6顆納衛(wèi)星或12個(gè)立方星部署器，在進(jìn)入發(fā)射場(chǎng)前完成載荷安裝；上部采用一個(gè)支撐板模塊，配合塔型模塊或柱形模塊，可安裝微衛(wèi)星、迷你衛(wèi)星和小衛(wèi)星，在發(fā)射場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行安裝。分配器的下部可以單獨(dú)使用，配合一顆主星搭載納衛(wèi)星或立方星發(fā)射使用。SSMS通過模塊化的設(shè)計(jì)，不同模塊之間可以用桿和隔板進(jìn)行固定或調(diào)整。

▲ 改進(jìn)之后的織女星C具備5類任務(wù)發(fā)射能力

SSMS分配器全部采用低密度鋁合金夾層結(jié)構(gòu)，以高分子聚合物作為表面保護(hù)材料，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)重量的最小化。

本次任務(wù)作為SSMS的方案驗(yàn)證任務(wù)，采用了較為復(fù)雜的組合形式，代號(hào)為FLEX-3。底部為六棱柱結(jié)構(gòu)，安裝了12個(gè)獨(dú)立的立方星部署器，每個(gè)面上安裝2個(gè)部署器，共攜帶46顆立方星。支撐板上部安裝了1個(gè)圓柱形模塊和3個(gè)塔形模塊，共搭載7顆微衛(wèi)星。其中，支撐板上顆直接安裝3顆，3個(gè)塔形模塊頂端分別安裝1顆，柱形模塊頂端安裝1顆。

不同位置安裝的衛(wèi)星尺寸和重量都有限制，每個(gè)位置的上限如下頁表所示。

▲ SSMS樂高式的分配器模塊，通過不同的組合方案大幅提升任務(wù)靈活性

本次任務(wù)中采用FLEX-3分配器對(duì)載荷尺寸和質(zhì)量的限制

▲ 本次任務(wù)中采用的FLEX-3分配器結(jié)構(gòu)示意圖（底部灰色部分為織女星火箭的1194適配器）

最優(yōu)線路——火箭飛行彈道做了優(yōu)化

本次任務(wù)的53顆衛(wèi)星其質(zhì)量大約為770千克，而FLEX-3分配器質(zhì)量約為459千克，再加上1194適配器的81千克質(zhì)量，入軌總重約為1310千克，和織女星火箭運(yùn)載能力上限1430千克相比，還有一定余量，允許為多星部署進(jìn)行軌道優(yōu)化。

設(shè)計(jì)人員充分利用AVUM上面級(jí)的重啟能力，在任務(wù)過程中設(shè)計(jì)了5次點(diǎn)火啟動(dòng)。其中前2次啟動(dòng)將上面級(jí)和載荷送入高度大約為515公里的太陽同步軌道，完成7顆微衛(wèi)星的分離入軌。AVUM再經(jīng)歷2次短時(shí)間的啟動(dòng)后，將軌道高度調(diào)整至大約530公里，完成剩余的46顆小衛(wèi)星的部署。最后，通過第5次啟動(dòng)完成離軌機(jī)動(dòng)，避免上面級(jí)對(duì)軌道環(huán)境產(chǎn)生影響和污染。

規(guī)律部署——如何合理地對(duì)分離機(jī)構(gòu)和分離時(shí)序進(jìn)行設(shè)計(jì)？

在SSMS任務(wù)中，為了保證載荷可靠分離，采用了兩類分離機(jī)構(gòu)。一類是由美國行星系統(tǒng)公司研發(fā)的MLB系列包帶式分離系統(tǒng)，采用彈簧、推桿、開關(guān)和連接器等機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)解鎖，接口直徑包括29.7厘米、33厘米和38.1厘米三種。相比傳統(tǒng)火工解鎖方式，大幅降低了分離沖擊，有利于實(shí)現(xiàn)多星部署。這類分離機(jī)構(gòu)用于安裝在支撐板模塊上方的7顆微衛(wèi)星。另一類是專門用于立方星分離的部署器，包括美國太瓦克公司6NLAS部署器、荷蘭空間創(chuàng)新系統(tǒng)公司的QuadPack和ISIPOD部署器等，能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)立方星的可靠分離和時(shí)序控制，避免立方星之間產(chǎn)生干涉，同樣也是基于機(jī)械分離方式的非火工方案。

▲ SSMS任務(wù)中的微衛(wèi)星采用行星系統(tǒng)公司的MLB系列包帶式分離系統(tǒng)

▲ 分離時(shí)序的示意圖

▲ 太瓦克公司的6NLAS立方星部署器

本次任務(wù)將53顆衛(wèi)星分為2組分別部署在高度略有差異的兩個(gè)軌道上。在AVUM上面級(jí)完成2次點(diǎn)火工作，進(jìn)入高度約515公里的太陽同步軌道后，安裝在FLEX-3柱形模塊和塔形模塊上的4個(gè)微衛(wèi)星先依次分離，分離時(shí)間間隔在1秒到2秒之間。之后，AVUM上面級(jí)會(huì)經(jīng)歷時(shí)長大約500秒的無動(dòng)力滑行階段，滑過大約半個(gè)軌道后，幾乎同時(shí)釋放安裝在支撐板上的3個(gè)微衛(wèi)星。在分離前，AVUM會(huì)利用姿控系統(tǒng)完成2米每秒的小幅機(jī)動(dòng)，保證3顆衛(wèi)星軌道略有差異，不會(huì)發(fā)生碰撞。

▲ 荷蘭空間創(chuàng)新系統(tǒng)公司的QuadPack立方星部署器

之后，AVUM上面級(jí)進(jìn)行第三次和第四次點(diǎn)火，進(jìn)入高度約530公里的軌道，利用立方星部署器，依次釋放安裝在底部六棱柱模塊的46個(gè)立方星，分離的時(shí)間間隔大約為5秒（部分情況下會(huì)有2顆衛(wèi)星同時(shí)分離），在3分鐘的時(shí)間內(nèi)完成部署。分離時(shí)序的示意如下圖所示。因?yàn)榱⒎叫遣槐負(fù)?dān)心被上面級(jí)姿控系統(tǒng)推力器的排放物污染或影響，所以在立方星分離的3分鐘內(nèi)，上面級(jí)姿控系統(tǒng)一直持續(xù)工作，保證立方星之間不會(huì)發(fā)生碰撞。另外，姿控系統(tǒng)在最后部署階段能夠持續(xù)工作，還提高了任務(wù)靈活性——如果臨時(shí)更換或減少了某些立方星導(dǎo)致整體質(zhì)心發(fā)生變化，姿控系統(tǒng)也能夠保證分離過程不受影響。

在微小衛(wèi)星快速發(fā)展的大背景下，歐洲順勢(shì)而為，利用“織女星”成功完成一箭53星任務(wù)，不僅能夠解決歐洲各類研究機(jī)構(gòu)對(duì)于小衛(wèi)星發(fā)射機(jī)會(huì)的需求，也讓原本就注重商業(yè)市場(chǎng)的歐洲發(fā)射服務(wù)業(yè)更具有競(jìng)爭力。尤其是采用SSMS系統(tǒng)之后，能夠充分利用織女星火箭的性能和上面級(jí)多次啟動(dòng)能力，而且匹配微小衛(wèi)星的范圍也非常廣泛，首飛即能夠組織13個(gè)國家的21家用戶，足以說明其競(jìng)爭力。