小衛(wèi)星發(fā)射的發(fā)展

+ 張雪松/squirrel

小衛(wèi)星發(fā)射的發(fā)展

+ 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。未來巨大市場的次級，推動和催生了小衛(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。

新一代小型運(yùn)載火箭

小衛(wèi)星發(fā)射手段中，小型運(yùn)載火箭占據(jù)了重要的地位。小型運(yùn)載火箭雖然運(yùn)力不大，但發(fā)射報價低發(fā)射靈活性高，滿足了很多類型的小衛(wèi)星的發(fā)射需求。軌道科學(xué)公司抓住小衛(wèi)星市場發(fā)展的機(jī)遇，研制了米諾陶、飛馬座和金牛座等小型固體運(yùn)載火箭，在小衛(wèi)星發(fā)射市場上占據(jù)了先機(jī)。此一時彼一時，軌道科學(xué)公司的小型運(yùn)載火箭相對當(dāng)年的大中型運(yùn)載火箭是物美價廉的選擇，但現(xiàn)在的發(fā)射報價卻日益高漲，無法滿足小衛(wèi)星市場進(jìn)一步發(fā)展的需求。在小衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展的推動下，世界航天業(yè)界已經(jīng)掀起了研制新一代小型運(yùn)載火箭的熱潮，一大批新型小型運(yùn)載火箭已經(jīng)蓄勢待發(fā)。

美國是世界航天產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)頭羊，小型運(yùn)載火箭的研制上同樣奮勇當(dāng)先。美國新成立的螢火蟲（firefly）空間系統(tǒng)公司正在研制名為螢火蟲α的小型運(yùn)載火箭，這是一種小型二級液體運(yùn)載火箭，使用小推力的擠壓循環(huán)液氧甲烷發(fā)動機(jī)FRE-1和FRE-2，箭體使用高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料，近地軌道運(yùn)力為400千克。螢火蟲α火箭的亮點(diǎn)，首先是它使用了液氧甲烷發(fā)動機(jī)和擠壓循環(huán)方式，同等技術(shù)水平下液氧甲烷組合在常用推進(jìn)劑中比沖僅次于液氧液氫，而擠壓循環(huán)方式是最安全的發(fā)動機(jī)循環(huán)方式，這種選擇兼顧了性能和安全性。螢火蟲α火箭還使用了氣動塞式（Aerospike）噴口，它的第一級FRE-2發(fā)動機(jī)實際上是9臺發(fā)動機(jī)的并聯(lián)，單臺發(fā)動機(jī)推力約40千牛，這9臺發(fā)動機(jī)構(gòu)成了氣動塞式（Aerospike）噴口，保證了發(fā)動機(jī)在低空和高空都有更好的比沖性能。螢火蟲α火箭的第二級FRE-1發(fā)動機(jī)屬于第一級單臺發(fā)動機(jī)的真空版，最大程度上簡化了設(shè)計和制造的難度，其真空比沖從305秒提高到335秒，推力提高到44.5千牛。事實上一個40多千牛的小型發(fā)動機(jī)，本身就極大地降低了火箭發(fā)動機(jī)的研制成本。螢火蟲α火箭的碳纖維復(fù)合材料殼體，對于其他國家來說屬于“高大上”的昂貴高科技，但美國火箭上使用碳纖維復(fù)合材料的技術(shù)已經(jīng)成熟，對螢火蟲公司來說，反而是兼顧性能和成本的最佳選擇。螢火蟲空間系統(tǒng)公司稱，螢火蟲α火箭的發(fā)射成本僅為900萬美元，是同等運(yùn)力級別中報價最低的運(yùn)載火箭，將在未來小衛(wèi)星發(fā)射市場上占據(jù)重要地位。

美國空軍為了滿足作戰(zhàn)響應(yīng)空間（ORS）計劃的需求，正在近地軌道納衛(wèi)星集成防御自主系統(tǒng)（LEONIDAS）項目下研制滑軌發(fā)射的火花/斯巴克（SPARK）小型運(yùn)載火箭，火箭將在ORS-4任務(wù)中于今年年底進(jìn)行首次發(fā)射。航空噴氣洛克達(dá)因公司負(fù)責(zé)為“斯巴克”火箭提供火箭發(fā)動機(jī)并負(fù)責(zé)火箭的總體集成，“斯巴克”火箭又名“超級斯屆比”，是一種典型的三級固體運(yùn)載火箭，和米諾陶等基于洲際導(dǎo)彈的固體運(yùn)載火箭不同，“超級斯屆比”小型固體運(yùn)載火箭是基于大型探空火箭“斯屆比”研制的，因此使用了傳統(tǒng)運(yùn)載火箭中少見的滑軌發(fā)射方式?！八拱涂恕被鸺赜谔柾杰壍腊l(fā)射任務(wù)，發(fā)射場位于夏威夷的太平洋靶場，具備將250千克的總載荷送入400千米高度太陽同步圓軌道的能力，發(fā)射報價約為1200到1600萬美元?！八拱涂恕被鸺哂邪l(fā)射價格低廉，發(fā)射準(zhǔn)備時間短，發(fā)射時間靈活性高等特點(diǎn)，將是美國空軍作戰(zhàn)響應(yīng)空間未來發(fā)射微納衛(wèi)星甚至小衛(wèi)星的主力運(yùn)載工具，也將滿足美國各政府機(jī)構(gòu)、大學(xué)和商業(yè)公司低成本發(fā)射微納衛(wèi)星的需求。

美國掀起了小型運(yùn)載火箭的研制熱潮，其他國家也不甘落后。2014年新西蘭火箭實驗室公司公開了“電子”（Electron）小型液體運(yùn)載火箭的方案，它的近地軌道運(yùn)力約為110千克，可以說是為微納衛(wèi)星訂做的火箭?！半娮印被鸺褂脧?fù)合材料殼體，名為盧瑟福的發(fā)動機(jī)使用了電池驅(qū)動的渦輪泵，并使用了電子束熔融的3D打印技術(shù)制造，以最大限度的降低成本。新西蘭人稱“電子”火箭的發(fā)射報價略低于500萬美元，這使它在發(fā)射市場上占有不小的優(yōu)勢；歐洲阿里安宇航公司2015年9月14日發(fā)布消息，稱為了應(yīng)對未來小衛(wèi)星的發(fā)射需求，該公司正在研究為客戶提供一種近地軌道300千克的小型運(yùn)載火箭。挪威公司還計劃研制NSLV小型運(yùn)載火箭，它派生于探空火箭，預(yù)計在2020年左右進(jìn)行首次發(fā)射，只能將大約10千克載荷送入350千米高度的極地軌道，或者說它具備將類似AISSat-1的納衛(wèi)星送入軌道的能力，而AISSat-1衛(wèi)星是搭載印度PSLV-C15火箭升空的的。

中國也沒有缺席小衛(wèi)星發(fā)射工具的發(fā)展熱潮。我國的快舟一號小型固體運(yùn)載火箭已經(jīng)進(jìn)行了兩次發(fā)射，快舟一號火箭是一種典型的作戰(zhàn)空間響應(yīng)火箭，具有維護(hù)簡單發(fā)射準(zhǔn)備時間短等特點(diǎn)，可用于快速組網(wǎng)和補(bǔ)網(wǎng)發(fā)射。中國航天科工集團(tuán)還在快舟一號的基礎(chǔ)上衍生了飛天一號小型運(yùn)載火箭，科工集團(tuán)提出的30余顆衛(wèi)星組成的、重訪周期小于兩小時的商業(yè)遙感衛(wèi)星星座，以及上百顆衛(wèi)星組成的、具有全球覆蓋、高帶寬和低時延等特點(diǎn)的"幸福之星"低軌寬帶移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)，很可能都將使用飛天一號火箭發(fā)射。中國航天科技集團(tuán)作為中國航天發(fā)射的主力，已經(jīng)研制了長征六號小型液體運(yùn)載火箭和長征十一號小型固體運(yùn)載火箭，它們都具有發(fā)射價格低、發(fā)射準(zhǔn)備時間短等特點(diǎn)，可望在未來的小衛(wèi)星發(fā)射市場上大顯身手。長征六號火箭預(yù)定9月19日的首次發(fā)射中，將以一箭二十星的方式發(fā)射小衛(wèi)星和微納衛(wèi)星，展示它出色的微小衛(wèi)星發(fā)射能力。

中型火箭的發(fā)展

小火箭具有發(fā)射價格低發(fā)射時間靈活的特點(diǎn)，但嚴(yán)格地說它們單位質(zhì)量的發(fā)射成本始終大于大中型運(yùn)載火箭。對于大量小衛(wèi)星的發(fā)射，中型運(yùn)載火箭始終是必不可少的中流砥柱。小衛(wèi)星商業(yè)化熱潮中，Oneweb低軌道通信方案和太空探索技術(shù)公司的低軌道通信星座方案是最典型的代表，它們不約而同的選擇了新型中型火箭進(jìn)行發(fā)射。

Oneweb星座最初曾計劃使用阿里安宇航公司的聯(lián)盟火箭發(fā)射，而后改用維珍銀河公司的發(fā)射器一號（LauncherOne）運(yùn)載工具發(fā)射。發(fā)射器一號是維珍銀河公司2012年7月公布的運(yùn)載火箭，根據(jù)最新消息它可將約400千克的小衛(wèi)星送入太陽同步軌道，維珍公司計劃將單次發(fā)射成本降低到1000萬美元以下。根據(jù)最新公布的信息，Oneweb星座組網(wǎng)需要使用發(fā)射器一號進(jìn)行39次發(fā)射，發(fā)射成本僅為不到4億美元，不到21次聯(lián)盟火箭發(fā)射費(fèi)用的1/4。不過細(xì)心的人們也發(fā)現(xiàn)了自相矛盾的情節(jié)，發(fā)射器一號一次只能發(fā)射400千克重的載荷，而Oneweb星座每顆衛(wèi)星質(zhì)量為125千克，事實上用于發(fā)射的可能是發(fā)射器二號，它將具有更大運(yùn)力，但發(fā)射成本仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于昂貴的聯(lián)盟火箭。

太空探索技術(shù)公司作為航天發(fā)射市場上的新秀，本著肥水不流外人田的原則，自家的低軌道通訊星座使用了自家的獵鷹九號火箭。人們對獵鷹九號火箭并不陌生，它因為發(fā)射龍式飛船名聲遠(yuǎn)揚(yáng)，而接二連三的第一級海上著陸試驗更是舉世矚目。獵鷹九號火箭正在不斷試驗第一級反推飛回和著陸技術(shù)，計劃未來讓第一級火箭返回發(fā)射場降落，檢修后快速再次投入使用。如果第一級火箭復(fù)用成功，該公司還將嘗試第二級火箭的反推再入和著陸，進(jìn)行第二級的復(fù)用，最終做到整枚火箭完全可重復(fù)使用。太空探索技術(shù)公司的可重復(fù)使用的獵鷹九號火箭，未來將用于發(fā)射高達(dá)4025顆衛(wèi)星的低軌道通信星座，據(jù)稱可重復(fù)使用的獵鷹九號火箭有望將單次發(fā)射費(fèi)用降低到1000萬美元以下，只有原來一次性獵鷹九號火箭的幾分之一，這大概就是太空探索技術(shù)公司提出一個規(guī)?？涨暗男⌒l(wèi)星通信星座網(wǎng)絡(luò)的底氣。

有趣的是空中客車公司也提出了可重復(fù)使用運(yùn)載火箭的計劃，名為“艾德琳”的低成本可重復(fù)使用運(yùn)載工具基于現(xiàn)在的阿里安火箭研制，第一級分離后可自主降落，翻新后用于下一枚火箭的發(fā)射?！鞍铝铡被鸺型貜?fù)使用大約10到20次，這將顯著降低發(fā)射成本，有助于空中客車公司和阿里安宇航公司保持商業(yè)發(fā)射市場上的優(yōu)勢地位，也將為小衛(wèi)星多星發(fā)射提供更多的選擇。