小衛(wèi)星發(fā)射的選擇

+ 張雪松/squirrel

小衛(wèi)星發(fā)射的選擇

+ 張雪松/squirrel

小衛(wèi)星以其物美價廉的特點，隨著技術的進步得到了空前的大發(fā)展，但在小衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的樂章中，卻有著不和諧的音符，那就是小衛(wèi)星的發(fā)射問題。航天發(fā)射的報價一向居高不下，小型運載火箭的單位質量發(fā)射價格更是偏高，而微電子和微機電技術的進步浪潮下，小衛(wèi)星研制生產(chǎn)成本卻越來越低，這讓運載火箭和小衛(wèi)星在成本上的矛盾日益突出。

傳統(tǒng)方式

從過去的歷史來看，小衛(wèi)星不外使用小型運載火箭發(fā)射，使用中型運載火箭發(fā)射和使用大中型運載火箭搭載發(fā)射等方式。目前小衛(wèi)星發(fā)射大行其道的是搭載方式，尤其是新興的微納衛(wèi)星和立方體納衛(wèi)星，更是經(jīng)常選擇更廉價的搭載方式。

2014年第聶伯號火箭成功進行了一次一箭38星的發(fā)射，將310千克的小衛(wèi)星Deimos-2以及搭載的37顆微小衛(wèi)星送入軌道。國際空間站的常態(tài)化貨運發(fā)射也提供了搭載的便利，利用安塔瑞斯和獵鷹九號運載火箭將小型、微型和納衛(wèi)星作為次級載荷搭載發(fā)射屢見不鮮，甚至成為納衛(wèi)星發(fā)射的主要手段之一。有些微納衛(wèi)星還選擇作為貨物載荷送到國際空間站，然后從國際空間站釋放進入軌道，9月17日巴西的立方星Serpens就由日本的HTV-5飛船帶入國際空間站，并部署釋放到近地軌道。

小火箭發(fā)射小衛(wèi)星，是一個十分順理成章的想法。2014年的92次航天發(fā)射中，主要是大中型運載火箭的發(fā)射，但也有部分小型運載火箭發(fā)射任務：以色列的Shavit-2火箭和我國的快舟一號火箭各進行了一次發(fā)射，俄羅斯的Strela和歐洲的織女星火箭同樣各進行了一次發(fā)射，俄羅斯的Rokot火箭則進行了兩次發(fā)射。它們發(fā)射的基本是幾百千克的小型衛(wèi)星，尤其是俄羅斯發(fā)射的Strela軍用衛(wèi)星及其民用版Gonets-M衛(wèi)星，質量都只有200多千克，但使用的是高度1400千米、傾角82.6度的特殊軌道，根本無法搭載發(fā)射。我國的快舟一號衛(wèi)星著眼空間應急應用，也無法采用時效性差的搭載發(fā)射方式。

現(xiàn)有的小衛(wèi)星發(fā)射方式盡量回避航天發(fā)射的高成本對小衛(wèi)星的影響，但小衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要更具性價比和靈活性的發(fā)射方式，這是目前老式小型火箭或是設計時主要用于發(fā)射大型衛(wèi)星的大中型火箭心有余而力不足的，在需求的推動下發(fā)射小衛(wèi)星的新型火箭研制呈現(xiàn)井噴之勢。

鹿死誰手

現(xiàn)有的小衛(wèi)星發(fā)射方式盡量回避航天發(fā)射的高成本對小衛(wèi)星的影響，但小衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要更具性價比和靈活性的發(fā)射方式，這是目前老式小型最具商業(yè)價值的小衛(wèi)星質量為數(shù)百千克，無論是太空探索技術公司的全球衛(wèi)星通信網(wǎng)、Oneweb衛(wèi)星通信網(wǎng)，還是典型低軌道遙感衛(wèi)星，幾乎都集中在這個范圍內(nèi)。它們體積重量較大，搭載發(fā)射方式不太合適，正是新一代小衛(wèi)星發(fā)射工具爭奪的焦點。

對于低軌道星座成百上千的衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量，老式的一次性運載火箭如聯(lián)盟火箭即使一箭多星發(fā)射也多少有些力不從心，太空探索技術公司推出了復用型獵鷹九號火箭，維珍銀河公司正在研制空射的發(fā)射器一號，這兩種新型火箭雖然運力相差懸殊，但都著眼降低發(fā)射費用。目前來看如果未來獵鷹九號火箭能實現(xiàn)復用，可能具有更大的優(yōu)勢，發(fā)射器一號雖然通過空射方式提高火箭的運載系數(shù)并相應降低火箭的大小和質量，但火箭畢竟還是一次性的，降低成本的空間有限。不過事無絕對，有航天飛機重復使用失敗的前車之鑒，獵鷹九號的重復使用能降低多少成本還是未知數(shù)。當然獵鷹九號在復用方面采取穩(wěn)健的螺旋研發(fā)模式，在成熟的一次性火箭基礎上一步步摸索前進，即使火箭重復使用沒能達到理想的效果，如在中近期將獵鷹九號的發(fā)射費用降低到700萬美元左右，也仍是一種性價比相當出色的運載火箭。發(fā)射器一號空射火箭近地軌道運力約為400千克，這樣的小火箭具有研制難度低，制造簡單，綜合成本低的優(yōu)勢，獵鷹九號火箭重復使用降低成本的努力失敗的話，它和發(fā)射器一號之間鹿死誰手還是未知數(shù)，從經(jīng)濟上說，可重復使用的中型運載火箭是大批量發(fā)射小衛(wèi)星的最佳選擇。

發(fā)射器一號選擇了小型運載火箭的路線，這也是目前風行的潮流。Oneweb星座的通信衛(wèi)星質量125千克，Skybox遙感衛(wèi)星質量小于100千克，其他類似的低軌道星座方案，衛(wèi)星質量普遍也不高，對比獵鷹九號那樣近地軌道運力超過10噸的火箭，近地軌道運力1噸以內(nèi)的小火箭進行多星發(fā)射在靈活性和經(jīng)濟性上要更有優(yōu)勢。獵鷹九號那樣的中型火箭固然可以一箭部署大量小衛(wèi)星，但廉價小衛(wèi)星數(shù)量一大成本仍然不是一個小數(shù)，更別說發(fā)射失敗引起的部署進度的落后甚至整個項目遭遇信任性危機的風險了。小型運載火箭不僅降低了火箭研制難度，相應的降低了火箭的發(fā)射成本，因為一箭發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)量較少，也降低了發(fā)射失敗時引起的損失，同樣的單位發(fā)射成本和發(fā)射成功率下，小型火箭在保險費率上必然更占優(yōu)勢，也就意味著綜合發(fā)射報價更低。這種理論絕非閉門造車，歐盟的伽利略導航星座最初曾有阿里安5火箭一箭八星發(fā)射的方案，后來調整到一箭六星最后降低到一箭四星，在此之前又使用聯(lián)盟火箭一箭雙星發(fā)射伽利略衛(wèi)星，主要的考慮就是降低法發(fā)射失敗的損失。目前歐美新興航天發(fā)射公司蜂擁而至，老牌企業(yè)也在試圖研制小型運載火箭，爭奪小衛(wèi)星利潤最豐厚的發(fā)射市場，產(chǎn)生了諸如Firefly、Electron以及Super Strypi這樣的小型運載火箭。我國也研制了長征六號、長征十一號和飛天一號等小型運載火箭，用于滿足國內(nèi)未來各種低軌道星座小衛(wèi)星的發(fā)射需求。不管重復使用的獵鷹九號那樣的火箭是否成功，靈活廉價的小型火箭始終有自己的一席之地。

小型運載火箭不僅著眼于滿足100千克以上小衛(wèi)星的發(fā)射需求，它們還適用于一箭多星發(fā)射100千克以下的微衛(wèi)星，而這個領域正在展現(xiàn)出越來越大的商業(yè)和軍用價值。美國陸軍和國防先進研究項目局啟動了鷹眼衛(wèi)星項目，它是一種質量約14千克的納衛(wèi)星，但可在近地軌道提供1.5米的全色分辨率，而且成本只有100萬美元。第一顆鷹眼衛(wèi)星可能搭載獵鷹九號火箭在今年年末升空，如果計劃順利的話可能啟動后續(xù)的全球星座，美軍認為30顆鷹眼衛(wèi)星可以提供全天候覆蓋全球的偵察監(jiān)視能力?？梢灶A見，未來類似鷹眼這樣的微納衛(wèi)星會越來越多，在軍事和商業(yè)上取得更多的進展，微納衛(wèi)星即將迎來爆發(fā)性的大增長，中型火箭現(xiàn)在搭載發(fā)射試驗性微納衛(wèi)星還能應付，但對未來微納衛(wèi)星星座組網(wǎng)需要的發(fā)射靈活性和定制化要求就鞭長莫及了，要滿足商用和軍用微納衛(wèi)星的革命性成長，尤其是它們對運載工具提出的廉價性、靈活性和可靠性的綜合要求，只能靠新一代小型運載火箭。我國的長征六號火箭首次發(fā)射一箭二十星，長征十一號火箭一箭四星，其中發(fā)射的主要就是納衛(wèi)星，隨著我國衛(wèi)星技術的發(fā)展進步，這些微納衛(wèi)星將從試驗星走向實用星，新一代的長征六號和十一號小火箭，配合類似鷹眼這樣的小型遙感星和通信星，將帶來我國衛(wèi)星技術和應用的巨大變革，我國新一代長征小火箭的多星發(fā)射也將成為新常態(tài)。

說到及時性，空間應急響應始終是一個熱門話題。無論是從防災減災還是補網(wǎng)補盲，快速發(fā)射能力都是一個核心障礙。受限于個人視野，很多人一支認為火箭的快速響應發(fā)射能力用途不大，因為衛(wèi)星的研制生產(chǎn)才是麻煩的核心，衛(wèi)星的研制一般耗時數(shù)年之久，集成測試和發(fā)射準備測試一般也要幾個月，發(fā)射入軌后還需要一段不短的時間調試才能交付用戶使用，但衛(wèi)星技術的迅速發(fā)展讓這一切成了明日黃花。姑且不論美國的空間作戰(zhàn)響應（ORS）的進展，我國已經(jīng)發(fā)射的快舟一號衛(wèi)星和今年長征十一號發(fā)射的浦江一號衛(wèi)星，都已經(jīng)實現(xiàn)了快速的地面檢測和及時的在軌交付。浦江一號衛(wèi)星通過全數(shù)字化設計、柔性化結構設計和即插即用的通用化設計，實現(xiàn)了快速按需配置等多種有效載荷，衛(wèi)星一個星期即可完成發(fā)射準備，一天完成在軌交付，而軍用的快舟一號衛(wèi)星走的是定制化的道路，在發(fā)射準備和空間交付速度上更快。這些新型衛(wèi)星的出現(xiàn)，為空間應急響應的實現(xiàn)鋪平了道路，而火箭反而成了一個薄弱環(huán)節(jié)，我國為此研制了快舟一號和長征十一號小型固體運載火箭，它們的發(fā)射準備時間都可以壓縮到一天內(nèi)，滿足了應急響應的發(fā)射需求。美國也研制了Super Strypi火箭，優(yōu)先滿足美國軍方空間應急發(fā)射的需求。

綜述

縱觀小衛(wèi)星發(fā)射市場的過去和現(xiàn)在，還沒有一種發(fā)射方式完全兼顧成本、靈活性和性能，未來小衛(wèi)星發(fā)射市場上最大的可能是多種發(fā)射方式并存，不過領頭羊必然發(fā)生變化。搭載發(fā)射方式作為一種重要的小衛(wèi)星發(fā)射方式仍然會存在，但它將逐步喪失價格低廉的優(yōu)勢，這種方式發(fā)射的小衛(wèi)星數(shù)量所占比例不可避免的下降。從發(fā)射衛(wèi)星的數(shù)量上說，專用的小衛(wèi)星發(fā)射火箭未來將占據(jù)優(yōu)勢，尤其是類似獵鷹九號加多星分配器這樣的火箭，一箭多星部署的低軌道通信衛(wèi)星將占據(jù)主流。從長遠看，獵鷹九號這樣的中型火箭對應商用的需求，而小型火箭可以滿足包括個人需求在內(nèi)的更廣泛的微小衛(wèi)星發(fā)射市場，有望得到更好的發(fā)展。