小衛(wèi)星發(fā)射的短板

+ 張雪松/squirrel

小衛(wèi)星發(fā)射的短板

+ 張雪松/squirrel

小衛(wèi)星的研制如火如荼，小衛(wèi)星商業(yè)化的大潮也撲面而來，而現(xiàn)有運(yùn)載火箭性能的不足卻構(gòu)成了小衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的短板，降低了小衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度。未來巨大市場(chǎng)的次級(jí)，推動(dòng)和催生了小衛(wèi)星發(fā)射火箭的發(fā)展，現(xiàn)在一大批小衛(wèi)星運(yùn)載火箭即將面世。

小衛(wèi)星的復(fù)興

按照傳統(tǒng)看法，小衛(wèi)星是指質(zhì)量小于1噸的衛(wèi)星，但現(xiàn)代小衛(wèi)星一般指500千克以下的衛(wèi)星，尤其是著重指100千克以下的微小衛(wèi)星和更小的納衛(wèi)星皮衛(wèi)星。小衛(wèi)星并非現(xiàn)代衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，人類航天時(shí)代早期發(fā)射的衛(wèi)星，基本都是小衛(wèi)星，但現(xiàn)代小衛(wèi)星并非早期小衛(wèi)星的簡(jiǎn)單回歸，而是螺旋式上升發(fā)展的產(chǎn)物，在技術(shù)和性能上都有了質(zhì)的飛躍。

現(xiàn)代小衛(wèi)星領(lǐng)域的復(fù)興，關(guān)鍵在于兩個(gè)方面：一個(gè)是現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的支撐，另一個(gè)是現(xiàn)實(shí)社會(huì)的需求。隨著微電子技術(shù)和微機(jī)電技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)衛(wèi)星上笨重的遙測(cè)通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理、姿軌控等諸多子系統(tǒng)都得到了簡(jiǎn)化和輕量化，民用微電子和微機(jī)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，還產(chǎn)生了大量接近宇航級(jí)的高質(zhì)量民用元器件，美國(guó)等國(guó)家甚至計(jì)劃研制手機(jī)衛(wèi)星，就是這一趨勢(shì)的典型代表。先進(jìn)電子和機(jī)電技術(shù)的發(fā)展，為小衛(wèi)星的蓬勃發(fā)展提供了可能?，F(xiàn)實(shí)的軍用和民用需求，同樣推動(dòng)了小衛(wèi)星的發(fā)展。傳統(tǒng)衛(wèi)星設(shè)計(jì)上，傾向于衛(wèi)星做大功能做強(qiáng)壽命做長(zhǎng)，在性能優(yōu)先的原則下最大限度的提高衛(wèi)星的性能，但這一趨勢(shì)在冷戰(zhàn)時(shí)期已經(jīng)走到了盡頭，大型衛(wèi)星領(lǐng)域出現(xiàn)了研制周期越來越長(zhǎng)，研制費(fèi)用越來越高，發(fā)射和運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)越來越大，以及衛(wèi)星尚未上天技術(shù)就過時(shí)的尷尬局面。小衛(wèi)星與大型衛(wèi)星相比，同等技術(shù)水平下具有研制周期短、發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間短和研制生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本低的優(yōu)勢(shì)，還可以通過組網(wǎng)運(yùn)行和快速補(bǔ)網(wǎng)提高小衛(wèi)星星座的整體性能和健壯性。在軍用航天領(lǐng)域，面對(duì)各種反衛(wèi)星軟硬殺傷武器的威脅，小衛(wèi)星的這些優(yōu)勢(shì)尤為突出；在民用航天領(lǐng)域，小衛(wèi)星也為那些財(cái)力和研發(fā)能力有限的國(guó)家地區(qū)和機(jī)構(gòu)，打開了進(jìn)入太空大門的鑰匙。當(dāng)今世界上只有十余個(gè)國(guó)家具備航天發(fā)射能力，其中具備多種軌道多種重量級(jí)別的完整發(fā)射能力的國(guó)家更是少之又少，如果沒有小衛(wèi)星的復(fù)興，像英國(guó)薩里公司那樣航天公司是難以想象的。

簡(jiǎn)而言之，現(xiàn)代小衛(wèi)星建立在更先進(jìn)的技術(shù)之上，技術(shù)和功能密集程度有了巨大的提高，并促進(jìn)了航天領(lǐng)域的深刻變革，滿足了現(xiàn)代航天產(chǎn)業(yè)對(duì)衛(wèi)星“多快好省”的需求。隨著技術(shù)的發(fā)展和投資的增加，各國(guó)商業(yè)航天公司在小衛(wèi)星領(lǐng)域不斷推出新的計(jì)劃：美國(guó)的天體成像公司計(jì)劃發(fā)射24顆亞米級(jí)分辨率、質(zhì)量小于100千克的小衛(wèi)星，組建一個(gè)覆蓋全球并提供高時(shí)間分辨率的天基成像系統(tǒng)；美國(guó)的軌道通訊公司建立了低軌道通信星座，并正在計(jì)劃發(fā)射了由18顆新一代衛(wèi)星構(gòu)成的第二代低軌道通信星座OG2；銥星公司也正在研制和部署第二代銥星系統(tǒng)Iridium Next，它將由66顆低軌道通信衛(wèi)星組成；太空探索技術(shù)公司也組建了衛(wèi)星部門，計(jì)劃建立由4000顆低軌道衛(wèi)星組成的全球高速通訊網(wǎng)絡(luò)；我國(guó)的吉林一號(hào)衛(wèi)星由4顆衛(wèi)星組成，長(zhǎng)光衛(wèi)星技術(shù)有限公司未來計(jì)劃到2020年組成60顆在軌衛(wèi)星的星座，到2030年138顆衛(wèi)星在軌，對(duì)全球任意地點(diǎn)的重訪周期縮短到10分鐘。

現(xiàn)有發(fā)射方式

航小衛(wèi)星可以選擇作為運(yùn)載火箭的主載荷發(fā)射，也可作為次級(jí)載荷搭載發(fā)射，其中次級(jí)載荷的發(fā)射方式逐漸占據(jù)了主流。小衛(wèi)星傳統(tǒng)采用搭載的發(fā)射方式并非偶然。小衛(wèi)星雖然具有研制生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也意味著它的價(jià)格不高，面對(duì)寥寥無幾的發(fā)射工具和高高在上的發(fā)射報(bào)價(jià)，主流運(yùn)載火箭專門發(fā)射小衛(wèi)星的可能性不大，而小衛(wèi)星作為次級(jí)載荷搭載發(fā)射，緩解了小衛(wèi)星成本低和發(fā)射價(jià)格高的矛盾。小型運(yùn)載火箭也是發(fā)射小衛(wèi)星的一個(gè)選擇，但小型運(yùn)載火箭可供選擇的范圍很小。

2003年10月21日，長(zhǎng)征四號(hào)火箭將中科院研制的“創(chuàng)新一號(hào)”小衛(wèi)星和中巴聯(lián)合研制的“資源一號(hào)”衛(wèi)星送入太空，其中“資源一號(hào)”衛(wèi)星是一顆兩噸級(jí)別的大衛(wèi)星，而“創(chuàng)新一號(hào)”衛(wèi)星體重不到100千克，作為它的次級(jí)載荷搭載發(fā)射；我國(guó)的第一顆科普和公益衛(wèi)星“希望一號(hào)”，于2009年12月15日作為“遙感衛(wèi)星八號(hào)”的次級(jí)載荷搭載發(fā)射；浙江大學(xué)研制的“皮星一號(hào)A”衛(wèi)星，則是2010年9月22日隨著“遙感衛(wèi)星十一號(hào)”一塊進(jìn)入太空。毫無疑問，中國(guó)科協(xié)或是業(yè)余無線電愛好者很難支付單獨(dú)發(fā)射“希望一號(hào)”的發(fā)射成本，浙江大學(xué)要支持“皮星一號(hào)A”的研制尚且做出了很大努力，要訂購(gòu)一枚運(yùn)載火箭發(fā)射兩顆“皮星一號(hào)A”，無異于天方夜譚。即使是最財(cái)大氣粗的中科院，要為一顆不到100千克的試驗(yàn)衛(wèi)星訂購(gòu)一枚長(zhǎng)征火箭，也未免過于奢侈。

我國(guó)的小衛(wèi)星如此，其他國(guó)家也不例外。美國(guó)運(yùn)載火箭發(fā)射時(shí)也經(jīng)常會(huì)搭載一些小衛(wèi)星：聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟2013年12月5日使用宇宙神-5火箭發(fā)射NROL-39衛(wèi)星時(shí)，搭載發(fā)射了12顆立方體納衛(wèi)星；太空探索技術(shù)公司的獵鷹九號(hào)火箭和軌道科學(xué)公司的安塔瑞斯火箭，都曾進(jìn)行微小衛(wèi)星的搭載發(fā)射，獵鷹九號(hào)火箭執(zhí)行空間站貨運(yùn)的CRS-1任務(wù)時(shí)，龍式飛船之外曾搭載軌道通訊公司的試驗(yàn)衛(wèi)星，但由于火箭第一級(jí)故障問題未能進(jìn)入預(yù)定軌道，而安塔瑞斯火箭執(zhí)行空間站貨運(yùn)的Orb-3任務(wù)時(shí)，天鵝座飛船外也搭載了行星資源公司的Arkyd-3衛(wèi)星，但火箭直接爆炸導(dǎo)致任務(wù)徹底失敗。印度曾進(jìn)行過一箭十星的發(fā)射，除了主載荷制圖衛(wèi)星-2A外，其他九顆都是搭載發(fā)射的微小衛(wèi)星，這些質(zhì)量在3～16千克之間的微型衛(wèi)星，搭載發(fā)射無疑具有很高的性價(jià)比。

對(duì)于斤斤計(jì)較的商業(yè)航天公司，小衛(wèi)星選擇搭載發(fā)射方式更是順理成章。軌道通訊公司曾使用獵鷹九號(hào)火箭搭載發(fā)射試驗(yàn)衛(wèi)星；行星資源公司也利用安塔瑞斯火箭搭載發(fā)射試驗(yàn)性的Arkyd-3衛(wèi)星，失敗后又選擇獵鷹九號(hào)火箭在CRS-6任務(wù)中搭載發(fā)射Arkyd-3R衛(wèi)星；盧森堡空間公司和我國(guó)長(zhǎng)城公司簽訂合同，在嫦娥五號(hào)T1任務(wù)中搭載發(fā)射了該公司的4M衛(wèi)星。如果說軌道通訊公司或是行星資源公司還可能單獨(dú)發(fā)射他們的衛(wèi)星，但盧森堡空間公司無論如何也沒法為4M單獨(dú)采購(gòu)運(yùn)載火箭，搭載發(fā)射是唯一的選擇。美國(guó)未來的EM-1任務(wù)中，SLS超重型火箭發(fā)射MPCV飛船的同時(shí)，也將搭載發(fā)射多顆微小衛(wèi)星前往月球。

軌道通訊公司使用獵鷹九號(hào)火箭搭載發(fā)射了第二代系統(tǒng)的試驗(yàn)衛(wèi)星，但它的第一代低軌道通訊衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)卻是使用小型運(yùn)載火箭單獨(dú)發(fā)射的。1993年到1999年，該公司使用8枚飛馬座小型固體運(yùn)載火箭將37顆各型微小衛(wèi)星送入近地軌道。2008年該公司還使用俄羅斯的宇宙-3M小型液體運(yùn)載火箭，將6顆微小衛(wèi)星送入近地軌道進(jìn)行補(bǔ)網(wǎng)。

運(yùn)載工具的短板

技術(shù)和需求的推動(dòng)下，小衛(wèi)星的發(fā)展方興未艾，但在運(yùn)載工具方面，卻出現(xiàn)了明顯的短板。搭載發(fā)射方式在小衛(wèi)星需求不多尚且可以作為權(quán)宜之計(jì)，但現(xiàn)在已經(jīng)越來越捉襟見肘，面對(duì)即將到來的成百上千顆小衛(wèi)星的龐大發(fā)射需求，現(xiàn)有運(yùn)載火箭已經(jīng)明顯力不從心了。

我國(guó)的長(zhǎng)光衛(wèi)星技術(shù)有限公司的吉林一號(hào)衛(wèi)星包括一顆主衛(wèi)星、一顆靈巧成像驗(yàn)證星和兩顆靈巧成像視頻星，在2015年10月使用長(zhǎng)征火箭發(fā)射。吉林一號(hào)衛(wèi)星主星也不過是幾百千克質(zhì)量，靈巧成像驗(yàn)證星更是只有50千克，三顆靈巧星都作為次級(jí)載荷搭載發(fā)射，但未來長(zhǎng)光衛(wèi)星公司計(jì)劃將在軌衛(wèi)星數(shù)量增加到60顆甚至138顆，光是組網(wǎng)補(bǔ)網(wǎng)就是巨大的發(fā)射壓力。如果要在2020年組成60顆衛(wèi)星的星座，以吉林一號(hào)的發(fā)射模式就需要15次發(fā)射，這幾乎相當(dāng)于長(zhǎng)征火箭一年的發(fā)射量，無論是長(zhǎng)征火箭的生產(chǎn)發(fā)射能力，還是長(zhǎng)光公司的財(cái)力，都難以支持這樣的高密度發(fā)射。

美國(guó)商業(yè)公司提出的一系列近地軌道通信和遙感星座計(jì)劃，低軌道衛(wèi)星的發(fā)射數(shù)量更是普遍高達(dá)上千顆。如果使用搭載發(fā)射方式，姑且不論準(zhǔn)備和發(fā)射時(shí)優(yōu)先考慮主載荷，在發(fā)射時(shí)間和方式上帶來的麻煩，光是發(fā)射數(shù)量就心有余而力不足。即使考慮使用小型運(yùn)載火箭發(fā)射，以軌道通訊公司的第一代低軌道星座為參照，其發(fā)射量也要達(dá)到一個(gè)空前的水平。大批量的商業(yè)發(fā)射之外，各個(gè)公司和研究機(jī)構(gòu)的微小衛(wèi)星尤其是研究型和試驗(yàn)型的微小衛(wèi)星發(fā)射，又有其不同的特點(diǎn)。這些微小衛(wèi)星數(shù)量可能不太多，但對(duì)軌道要求比較特殊，搭載發(fā)射方式同樣無法滿足它們的需求，而現(xiàn)役的小型運(yùn)載火箭的數(shù)量和產(chǎn)能對(duì)此同樣力不從心。簡(jiǎn)而言之，小衛(wèi)星的發(fā)射已經(jīng)成為小衛(wèi)星領(lǐng)域的一塊短板，越來越多的制約著小衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。