發(fā)展空基發(fā)射小衛(wèi)星技術(shù)的意義和途徑

姜秀鵬 傅丹膺 李黎 常新亞 （航天東方紅衛(wèi)星有限公司）

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發(fā)展空基發(fā)射小衛(wèi)星技術(shù)的意義和途徑

姜秀鵬 傅丹膺 李黎 常新亞 （航天東方紅衛(wèi)星有限公司）

Significance and Means of Developing Technologies for Air Launching Small Satellite

隨著小衛(wèi)星功能密度的增加，小衛(wèi)星的發(fā)射市場呈現(xiàn)出日益增長的勢頭。目前的小衛(wèi)星多數(shù)是采用陸基運載火箭發(fā)射，相對發(fā)射費用高，準備周期長，與日益增長的小衛(wèi)星發(fā)射需求不相適應(yīng)，急需尋找一種能夠以負擔得起的成本將小衛(wèi)星送入太空的方法。而空基發(fā)射由于具有機動、靈活、高效、廉價等優(yōu)勢，成為一種必然選擇。

1 引言

空基發(fā)射小衛(wèi)星是指利用載機將運載火箭攜帶到一定高度釋放，運載火箭攜帶有效載荷入軌，載機安全返回地面的空天運載模式。其目的是利用空基發(fā)射機動靈活的優(yōu)勢，形成快速進入空間的能力。與其他發(fā)射方式相比，空基發(fā)射衛(wèi)星具有發(fā)射費用低、發(fā)射準備時間短、機動性及靈活性好等一系列優(yōu)點，故在技術(shù)條件成熟的情況下是一個較好的選擇。

空基發(fā)射小衛(wèi)星概念具有極高的軍民應(yīng)用價值及廣闊的應(yīng)用前景，世界上以美國為首的航天大國均十分重視發(fā)展空基發(fā)射衛(wèi)星技術(shù)。1990年4月5日，美國“飛馬座”運載火箭第一次試飛成功，宣告了空射時代的到來。在此基礎(chǔ)上，美國又發(fā)展了飛馬座－XL。到目前為止，“飛馬座”和飛馬座－XL先后發(fā)射了多顆軍用小衛(wèi)星和民用小衛(wèi)星，每次發(fā)射費用僅為地面發(fā)射同樣常規(guī)火箭時的1/2。

國外特別是美國的空基發(fā)射小衛(wèi)星技術(shù)正在快速發(fā)展，并已經(jīng)呈現(xiàn)出多平臺發(fā)展的趨勢，需要引起高度重視。

2 國外空基發(fā)射小衛(wèi)星技術(shù)的現(xiàn)狀

“飛馬座”小型空射運載火箭

美國“飛馬座”運載火箭是迄今為止世界上唯一投入商業(yè)運營的空射運載火箭，由美國軌道科學公司和赫爾克里士航空航天公司合資組成的風險企業(yè)投資并負責研制，從1990年4月5日開始進行發(fā)射，主要用于將小型衛(wèi)星送入近地軌道，進行微重力試驗、材料試驗、通信、定位、地球資源探測或完成其他特殊任務(wù)。該火箭分為標準型和加長型XL，采用下掛式發(fā)射，整流罩長1.83m、直徑1.17m，可將272kg的衛(wèi)星送入463km的極地圓軌道, 其發(fā)射費用為地面常規(guī)火箭的一半。

“飛馬座”火箭發(fā)射衛(wèi)星

“火箭飛機”發(fā)射衛(wèi)星

“空中發(fā)射輔助太空進入”項目

美國國防高級研究計劃局（DARPA）于2011年發(fā)布了“空中發(fā)射輔助太空進入”（ALASA)計劃，擬采用改進的F－15E戰(zhàn)斗機作為載機，外掛運載，目標是能夠以低于100萬美元的單次發(fā)射成本發(fā)射質(zhì)量約45kg的衛(wèi)星。這將為低成本小型衛(wèi)星的廣泛使用鋪平道路。同時，該火箭在更換載荷之后，亦能執(zhí)行反衛(wèi)星任務(wù)。

DARPA原計劃在2015年末進行第一次飛行驗證，2016年上半年進行第一次軌道發(fā)射，然后根據(jù)測試結(jié)果，將在2016年夏季進行12次演示驗證發(fā)射。但由于兩次機載系統(tǒng)燃料試驗失敗，近期，DARPA宣布取消2016年的飛行試驗計劃。

平流層發(fā)射系統(tǒng)項目

美國正在發(fā)展一款由私營公司研制、綽號為“大鳥”的超級“火箭飛機”，該機翼展117m,長度72m，質(zhì)量544311kg，最大速度850km/h，設(shè)計搭載6個波音747級別的發(fā)動機，預(yù)計在2016年首飛，可以將火箭運至空中發(fā)射，將6.1t的衛(wèi)星送入180～2000km的近地軌道。

發(fā)射者－1空射小型運載火箭

維珍銀河公司2012年已經(jīng)開始研制小型衛(wèi)星發(fā)射火箭發(fā)射者－1?；鸺龑脑摴景咨T士－2載機上發(fā)射，能發(fā)射最高質(zhì)量為225kg的衛(wèi)星，預(yù)計完成這一任務(wù)的價格可能低于1000萬美元，將為商業(yè)小衛(wèi)星提供發(fā)射服務(wù)。其首次商業(yè)飛行可能在2016年執(zhí)行。

白色騎士－2飛行圖

飛行號空射運載火箭項目

飛行號是俄羅斯于20世紀90年代提出的項目，以安－124運輸機為平臺，計劃掛載近百噸級運載火箭，具備將2～3t衛(wèi)星送入200km近地軌道的能力。項目原計劃于2003年年底進行首飛，后因技術(shù)及資金問題而被擱置。2012年，俄羅斯宣布與印度尼西亞合作重啟空中發(fā)射項目，并計劃于2020年實施“空中發(fā)射”方案，載機選為安－225飛機。

國外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

總結(jié)國外空基發(fā)射衛(wèi)星的發(fā)展情況，可以看出：

1）在空基發(fā)射衛(wèi)星方面，美國處于領(lǐng)先地位，技術(shù)成熟，涌現(xiàn)出多個型號，發(fā)射平臺包括大型運輸機、遠程轟炸機、戰(zhàn)斗機、特種載機等，呈現(xiàn)多平臺發(fā)展趨勢；投放方式覆蓋下掛式、內(nèi)裝式等，投放能力覆蓋區(qū)間不斷擴大，各項能力持續(xù)提升，呈現(xiàn)系列化發(fā)展趨勢。

2）空基發(fā)射小衛(wèi)星的發(fā)射費用進一步降低，衛(wèi)星的發(fā)射準備時間由天級進一步縮短到小時級。

3）私營公司不斷進入空基發(fā)射衛(wèi)星領(lǐng)域，參與熱情高，未來有望成為主要力量。

3 發(fā)展空基發(fā)射小衛(wèi)星技術(shù)的意義

發(fā)展空基發(fā)射衛(wèi)星技術(shù)的重要意義體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）手段多樣性。衛(wèi)星進入空間的方式主要包括陸基發(fā)射、海基發(fā)射及空中發(fā)射等3種方式，對于只有陸基發(fā)射的國家，通過空基發(fā)射實現(xiàn)發(fā)射手段多樣化的需求迫切。

2）戰(zhàn)時生存性。固定發(fā)射場的數(shù)量少，在戰(zhàn)爭中易受到破壞，而空基發(fā)射可在數(shù)量較多的機場設(shè)施中機動選擇起飛發(fā)射，戰(zhàn)場生存能力強。發(fā)射衛(wèi)星時不依賴地基和海基測控，不依托大規(guī)模地基支持。

3）軍民結(jié)合性?？栈l(fā)射衛(wèi)星系統(tǒng)可實現(xiàn)“平戰(zhàn)結(jié)合、寓軍于民”，平時是一種低成本的衛(wèi)星發(fā)射系統(tǒng)，戰(zhàn)時可迅速更換載荷變成防天反衛(wèi)系統(tǒng)。

4）時空靈活性。一是點位任意，空基發(fā)射衛(wèi)星不受限于地面發(fā)射陣位，發(fā)射點不受限于天氣、國土范圍和地形；二是射向任意，可不考慮火箭殘骸落區(qū)；三是傾角任意，可發(fā)射任意傾角的軌道且不需要進行軌道轉(zhuǎn)移，目前只有空射可以做到入軌當圈工作且實現(xiàn)高重訪；四是時間任意，由于發(fā)射點位可選擇性大，因此發(fā)射時間窗口大大拓寬。

5）快速機動性。空基發(fā)射可在大范圍內(nèi)快速機動到任意地區(qū)發(fā)射衛(wèi)星，是陸地等常規(guī)手段無法比擬的；從任務(wù)下達到衛(wèi)星入軌工作，空基發(fā)射比現(xiàn)在最快的地面固體運載機動發(fā)射（約為24h）要快4倍以上。

6）任務(wù)隱蔽性?？蛇x擇地域偏遠地區(qū)的機場起飛發(fā)射，任務(wù)隱蔽性高。

7）費用低廉性。由于載機/運載火箭系統(tǒng)是一個部分重復(fù)使用的系統(tǒng)，因此，空射運載火箭可顯著降低單位有效載荷的發(fā)射費用。

可以看出，空基發(fā)射小衛(wèi)星系統(tǒng)作為實現(xiàn)衛(wèi)星發(fā)射方式多樣化及提高戰(zhàn)時生存性的有效手段，具有重要的戰(zhàn)略意義，應(yīng)作為一國航天工業(yè)的重要發(fā)展方向并給予支持。

4 空基發(fā)射小衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展途徑

空基發(fā)射小衛(wèi)星系統(tǒng)包括航空平臺、空射運載、衛(wèi)星系統(tǒng)、測控系統(tǒng)等四大部分，應(yīng)針對空基發(fā)射小衛(wèi)星系統(tǒng)的特點協(xié)調(diào)發(fā)展，可采用“成熟技術(shù)先行、后續(xù)穩(wěn)步推進”的發(fā)展策略。

航空平臺

從國外發(fā)展情況來看，航空平臺可優(yōu)先采用現(xiàn)有成熟飛機平臺，如轟炸機、運輸機或大型客機進行改裝，采用機腹下掛運載的方式發(fā)射衛(wèi)星。采用這種發(fā)射方式的分離比較簡單，但運載器的尺寸受到限制，運載能力有限，僅能發(fā)射輕小型的衛(wèi)星，制約了衛(wèi)星的功能和性能。因此，未來可繼續(xù)發(fā)展大型航空平臺，采用機艙內(nèi)裝式運載發(fā)射衛(wèi)星。

空射運載

可在已有運載的基礎(chǔ)上進行預(yù)研攻關(guān)，與航空平臺協(xié)同設(shè)計，滿足航空平臺對質(zhì)量、尺寸（受起落架高度限制）的要求，條件成熟后開展飛行演示驗證，先驗證關(guān)鍵技術(shù)，形成能力，并進行衛(wèi)星的搭載發(fā)射試驗。未來隨著航空平臺的發(fā)展，將進一步發(fā)展機艙內(nèi)裝式運載，發(fā)射衛(wèi)星的質(zhì)量和尺寸可進一步加大。

衛(wèi)星系統(tǒng)

基于空射運載的特點，空基發(fā)射小衛(wèi)星系統(tǒng)需要考慮以下幾方面的設(shè)計問題：

1）衛(wèi)星應(yīng)實現(xiàn)低成本設(shè)計。空基發(fā)射衛(wèi)星的運行軌道一般都比較低，空間輻射劑量相對較小，并且衛(wèi)星以應(yīng)急應(yīng)用為主，因此衛(wèi)星適宜采用低成本設(shè)計技術(shù)，如采用異構(gòu)備份技術(shù)、“商用現(xiàn)貨產(chǎn)品”（COTS）器件應(yīng)用技術(shù)、軟件星技術(shù)及管理流程優(yōu)化技術(shù)等。

2）衛(wèi)星系統(tǒng)需要實現(xiàn)輕量化、小型化。受空射運載能力的限制，衛(wèi)星需要進行構(gòu)型的優(yōu)化，如立方體衛(wèi)星、細長型構(gòu)型、體裝式太陽電池陣等。為了實現(xiàn)衛(wèi)星的輕量化，需要開展結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計工作，采用輕量化材料，星上電子設(shè)備采用綜合化、一體化、集成化設(shè)計技術(shù)，打破嚴格的分系統(tǒng)劃分，根據(jù)星上計算機的處理能力，整星只設(shè)計1臺或2臺中心計算機負責遙測遙控及星上事務(wù)管理，其余的通信設(shè)備、敏感器、執(zhí)行機構(gòu)等只做星上中心計算機的外圍設(shè)備。

3）衛(wèi)星系統(tǒng)需要采用力學加固或減振設(shè)計。由于空基發(fā)射的運載火箭多為固體運載，相比常規(guī)的液體運載，其存在的典型問題是過載較大，需要采用有效的減振和隔振措施，如采用金屬橡膠隔振器或形狀記憶合金（SMA）減振墊來達到減振和隔振效果。

星上電子信息拓撲圖

4）衛(wèi)星系統(tǒng)要適應(yīng)水平對接和運輸。在發(fā)射衛(wèi)星時，空基發(fā)射運載火箭在絕大部分時間里都是呈水平狀態(tài)，衛(wèi)星系統(tǒng)需要實現(xiàn)與運載火箭的水平對接、水平運輸，并在空中實現(xiàn)水平發(fā)射。因此，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)強度要適應(yīng)這種水平狀態(tài)，并采用合適的星箭對接接口，如采用4點分離螺母的形式，可適應(yīng)水平狀態(tài)的快速對接。

5）衛(wèi)星系統(tǒng)要解決發(fā)射時的結(jié)露問題。在發(fā)射衛(wèi)星時，載機攜帶運載在10000m以上的高空飛行時，水平飛行的持續(xù)時間有可能超過0.5h，如果不采取熱控措施，則整流罩內(nèi)的溫度有可能低于-30℃，會造成星上的光學系統(tǒng)產(chǎn)生結(jié)露問題。因此，需要衛(wèi)星采用適當?shù)臒峥卮胧蛲ㄟ^載機、運載實現(xiàn)整流罩內(nèi)的溫度調(diào)節(jié)。

測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)可依托于現(xiàn)有的地基和天基測控系統(tǒng)。另外，為適應(yīng)空基發(fā)射所具有的大范圍快速機動特點，可發(fā)展相應(yīng)的機動測控系統(tǒng)，如地面移動測控系統(tǒng)、機載測控系統(tǒng)等，為運載火箭和任務(wù)衛(wèi)星提供發(fā)射期間的測控保障。

5 結(jié)束語

隨著小衛(wèi)星發(fā)射需求的日益增長，空基發(fā)射衛(wèi)星技術(shù)正成為航空和航天技術(shù)結(jié)合的一個熱點，在有效降低衛(wèi)星發(fā)射費用及空間力量應(yīng)急增強方面具有重要意義，其在軍事和民用方面的應(yīng)用前景是十分廣闊的，必將成為未來的重點發(fā)展方向。