新潮流：“拼車(chē)”去太空

文/ 楊開(kāi)

在2019年8月的小衛(wèi)星大會(huì)上，太空探索技術(shù)公司和阿里安航天公司分別提出利用獵鷹9火箭和阿里安6火箭提供“拼車(chē)”式發(fā)射服務(wù)，前者面向太陽(yáng)同步軌道（SSO）衛(wèi)星，發(fā)射價(jià)格低至100萬(wàn)美元；后者針對(duì)地球同步軌道（GEO）小衛(wèi)星，能夠直接將小衛(wèi)星送入GEO軌道。隨后，俄羅斯負(fù)責(zé)運(yùn)營(yíng)聯(lián)盟號(hào)2火箭的GK發(fā)射服務(wù)在9月份也提出，利用聯(lián)盟號(hào)2火箭提供太陽(yáng)同步軌道拼車(chē)發(fā)射服務(wù)。到2020年，太空探索技術(shù)公司在6月18日宣布在不到10個(gè)月的時(shí)間內(nèi)其拼車(chē)發(fā)射服務(wù)已經(jīng)獲得100多個(gè)微小衛(wèi)星的發(fā)射訂單。歐洲阿里安航天公司在9月初完成織女星火箭的首次專(zhuān)門(mén)的拼車(chē)發(fā)射服務(wù)，成功發(fā)射了21家用戶(hù)的53個(gè)小衛(wèi)星。

可見(jiàn)，在小衛(wèi)星需求旺盛，相關(guān)技術(shù)和接口標(biāo)準(zhǔn)逐步統(tǒng)一，產(chǎn)業(yè)支撐（任務(wù)組織、衛(wèi)星分離系統(tǒng)、地面測(cè)控等）相繼完善的背景下，包括獵鷹9、聯(lián)盟號(hào)2和織女星在內(nèi)的火箭型號(hào)，能夠充分發(fā)揮自身上面級(jí)的性能，為大量小衛(wèi)星提供拼車(chē)發(fā)射服務(wù)。相比“電子號(hào)”等專(zhuān)門(mén)用于微小衛(wèi)星和立方星發(fā)射的微小型火箭，拼車(chē)發(fā)射在成本上具有顯著的優(yōu)勢(shì)，使其成為當(dāng)前一個(gè)重要的潮流和趨勢(shì)。

▲ 2012～2018年600千克以下微小衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量

微小衛(wèi)星數(shù)量爆發(fā)式增長(zhǎng)

近年來(lái)，小衛(wèi)星星座層出不窮，小衛(wèi)星發(fā)射需求也呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。根據(jù)美國(guó)布萊斯太空技術(shù)公司在2019年發(fā)布的《小衛(wèi)星指數(shù)報(bào)告》，600千克以下的微小衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量從2012年的50多顆增長(zhǎng)到2017～2018年的300多顆。而根據(jù)北方天空研究所（NSR）和歐洲咨詢(xún)公司（Euroconsult）在2019年公布的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，2019-2028年全球微小衛(wèi)星制造及發(fā)射的收入將達(dá)到428億美元，是過(guò)去10年的4倍。新航天指數(shù)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，已有衛(wèi)星入軌的小衛(wèi)星星座超過(guò)50個(gè)，這些星座計(jì)劃中衛(wèi)星總數(shù)超過(guò)18000顆。從數(shù)據(jù)上可以看到，微小衛(wèi)星不僅是當(dāng)下的發(fā)展熱點(diǎn)，未來(lái)也將保持快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

數(shù)量龐大的微小衛(wèi)星需要尋找低成本、高可靠的入軌方式，成為促進(jìn)拼車(chē)發(fā)射服務(wù)快速發(fā)展的一個(gè)主要驅(qū)動(dòng)因素。

拼車(chē)發(fā)射成為微小衛(wèi)星入軌的低成本選擇

目前，小衛(wèi)星入軌有四種可選方式：專(zhuān)用的微小型運(yùn)載火箭、搭載發(fā)射、拼車(chē)發(fā)射以及搭載貨運(yùn)飛船進(jìn)入空間站后從空間站上釋放。

專(zhuān)用的微小型運(yùn)載火箭

伴隨著小衛(wèi)星發(fā)展的熱潮，專(zhuān)門(mén)用于微小衛(wèi)星發(fā)射的微小運(yùn)載火箭研制活動(dòng)近幾年迎來(lái)了爆發(fā)，全球大約有超過(guò)150個(gè)微小型火箭方案，雖然大部分都處于紙面上，但也有少數(shù)已經(jīng)投入使用或接近投入使用。其中最成功的是火箭實(shí)驗(yàn)室公司的電子號(hào)火箭，已經(jīng)完成14次發(fā)射。這些小型火箭大都以低成本發(fā)射自居，然而實(shí)際的發(fā)射單價(jià)卻遠(yuǎn)高于大中型火箭。以電子號(hào)為例，其近地軌道運(yùn)載能力225千克，發(fā)射報(bào)價(jià)為570萬(wàn)美元，每千克價(jià)格超過(guò)2.5萬(wàn)美元。而一般大中型火箭的近地軌道發(fā)射單價(jià)大約在4000～10000美元之間，兩者相差非常懸殊。

▲ 電子號(hào)火箭發(fā)射價(jià)格達(dá)到570萬(wàn)美元

搭載發(fā)射

搭載發(fā)射（piggyback）是早期小衛(wèi)星發(fā)射入軌的主要方式，能夠利用主星發(fā)射時(shí)的剩余運(yùn)載能力，為小衛(wèi)星提供入軌機(jī)會(huì)。搭載發(fā)射多數(shù)是執(zhí)行近地軌道和太陽(yáng)同步軌道發(fā)射任務(wù)，運(yùn)載能力在2～5噸左右的中小型運(yùn)載火箭，印度的極地軌道衛(wèi)星運(yùn)載火箭（PSLV）、烏克蘭的第聶伯火箭、俄羅斯的聯(lián)盟2火箭以及歐洲的織女星火箭，都是經(jīng)常執(zhí)行搭載發(fā)射的典型火箭型號(hào)。搭載發(fā)射能夠在很大程度上降低發(fā)射成本，但劣勢(shì)就是必須服從主星的任務(wù)時(shí)間安排和目標(biāo)軌道。

拼車(chē)發(fā)射

拼車(chē)發(fā)射（rideshare）是近幾年才提出來(lái)的一種概念，是指某型火箭在特定時(shí)間提供一次發(fā)射機(jī)會(huì)，眾多小衛(wèi)星不分主次，都利用這次機(jī)會(huì)進(jìn)入太空。例如阿里安航天公司在9月初執(zhí)行織女星一箭53星任務(wù)，以及太空探索技術(shù)公司在2018年12月執(zhí)行的“SSO-A小衛(wèi)星快車(chē)”都屬于拼車(chē)發(fā)射。

然而，實(shí)際最早采用這種模式的既非太空探索技術(shù)公司，也不是阿里安航天公司，而是運(yùn)營(yíng)烏克蘭第聶伯火箭的國(guó)際宇航運(yùn)輸系統(tǒng)公司（ICS Kosmotras）。該公司從2000年就開(kāi)始進(jìn)行被稱(chēng)為“集群發(fā)射”（Cluster Launch）的拼車(chē)發(fā)射服務(wù)，并研制了專(zhuān)用的衛(wèi)星分配器和分離機(jī)構(gòu)，在2013年11月和2014年6月分別創(chuàng)造了一箭24星和一箭33星的記錄。然而，第聶伯火箭在2015年退役之后，相關(guān)的發(fā)射服務(wù)也隨即終止。

▲ 2017年2月，印度PSLV發(fā)射1顆遙感衛(wèi)星時(shí)，搭載103顆微小衛(wèi)星，創(chuàng)造了一箭104星的多星發(fā)射記錄

拼車(chē)發(fā)射服務(wù)對(duì)于小衛(wèi)星而言，最重要的意義就是有了低成本進(jìn)入空間的機(jī)會(huì)，因?yàn)樾⌒l(wèi)星本身得到的支持經(jīng)費(fèi)就不多，很難再去支付高昂的發(fā)射費(fèi)用。以公布拼車(chē)發(fā)射價(jià)格的太空探索技術(shù)公司為例，200千克以下的微小衛(wèi)星起步發(fā)射價(jià)格為100萬(wàn)美元，之后載荷重量每增加1千克發(fā)射價(jià)格增加5000美元。美國(guó)行星實(shí)驗(yàn)室公司主管衛(wèi)星發(fā)射的副總裁邁克·塞夫亞表示，之所以選擇太空探索技術(shù)公司的拼車(chē)發(fā)射服務(wù)，“是因?yàn)樵摴咎峁┝饲八从械牡蛢r(jià)，非常具有競(jìng)爭(zhēng)力。”另外，相比搭載發(fā)射而言，拼車(chē)發(fā)射的時(shí)間相對(duì)固定，發(fā)射頻次和數(shù)量也更多，靈活性更好。還需要說(shuō)明的是，由于阿里安航天公司和太空探索技術(shù)公司將搭載發(fā)射的機(jī)會(huì)也稱(chēng)為拼車(chē)發(fā)射，使得原本劃分就不太清晰的搭載發(fā)射和拼車(chē)發(fā)射，相互之間的界限更加模糊。

空間站釋放

最后，還有一部分立方星是通過(guò)搭載貨運(yùn)飛船進(jìn)入國(guó)際空間站，再?gòu)膰?guó)際空間站上釋放，雖然機(jī)會(huì)更少、軌道限制更嚴(yán)格，但是也有一些優(yōu)勢(shì)，比如發(fā)射過(guò)程中在飛船中能獲得更好的振動(dòng)環(huán)境、能夠選擇從空間站上釋放的時(shí)機(jī)以及在釋放之前能夠檢查衛(wèi)星是否受損等。

中介在發(fā)射服務(wù)中充當(dāng)?shù)慕巧?/h2>

▲ 2019年6月3顆立方星從國(guó)際空間站上釋放

相比傳統(tǒng)的一箭多星發(fā)射任務(wù)，拼車(chē)發(fā)射的載荷數(shù)量一般都是數(shù)十顆，而且是來(lái)自多家用戶(hù)，在發(fā)射任務(wù)的組織上存在比較大的難度，所以一般都需要專(zhuān)門(mén)的發(fā)射服務(wù)中介來(lái)組織。目前，全球從事發(fā)射服務(wù)中介的公司主要有美國(guó)的太空飛行公司（Spaceflight Inc）和泰瓦克公司（Tyvak）、荷蘭的空間創(chuàng)新解決方案公司（ISIS）、德國(guó)的艾克蘇發(fā)射公司（Exolaunch）、意大利的D-軌道公司（D-orbit）等。發(fā)射服務(wù)中介大都是以做微小衛(wèi)星適配器和分離機(jī)構(gòu)起家，能夠接觸到大量的微小衛(wèi)星研發(fā)企業(yè)和機(jī)構(gòu)，所以非常自然地成為連接起用戶(hù)和火箭運(yùn)營(yíng)商之間的橋梁。此前，它們就一直代理著印度的PSLV火箭、聯(lián)盟號(hào)2等火箭的搭載發(fā)射服務(wù)。隨著拼車(chē)發(fā)射服務(wù)的興起，發(fā)射服務(wù)中介也將發(fā)揮更重要的作用。

歐洲在9月初執(zhí)行“織女星”一箭53星任務(wù)中，為便于組織發(fā)射，成立了薩博發(fā)射服務(wù)公司（SAB LS），專(zhuān)門(mén)為其拼車(chē)發(fā)射任務(wù)提供微小衛(wèi)星的用戶(hù)對(duì)接、載荷準(zhǔn)備和安裝、載荷運(yùn)輸和保險(xiǎn)等服務(wù)支持。而在“織女星”的一箭53星任務(wù)中，共有五家發(fā)射服務(wù)中介參與，包括太空飛行公司、空間創(chuàng)新解決方案公司、艾克蘇發(fā)射公司、D-軌道公司、泰瓦克公司和薩博發(fā)射服務(wù)公司，53個(gè)載荷中49個(gè)載荷是由發(fā)射服務(wù)中介組織，這在一定程度上說(shuō)明發(fā)射服務(wù)中介對(duì)于拼車(chē)發(fā)射的重要性。

解決“最后一公里”問(wèn)題

拼車(chē)發(fā)射（包括搭載發(fā)射）最大的問(wèn)題，就是入軌軌道不能滿(mǎn)足所有微小衛(wèi)星的需求。即便以獵鷹這類(lèi)重型大型火箭的運(yùn)載能力和任務(wù)能力，在2019年6月STP-2任務(wù)的發(fā)射任務(wù)中，上面級(jí)通過(guò)4次點(diǎn)火，將24個(gè)載荷部署到3個(gè)不同的軌道，已經(jīng)達(dá)到了極限，但也很難滿(mǎn)足所有衛(wèi)星的軌道要求。對(duì)于“織女星”這類(lèi)中小型火箭而言，異軌部署的能力受限更明顯。

▲ 組織拼車(chē)發(fā)射服務(wù)的主要發(fā)射服務(wù)中介公司

▲ “活力騎乘”軌道轉(zhuǎn)移飛行器部署衛(wèi)星的示意圖

在這種背景下，日本合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星創(chuàng)企合成視角公司在今年4月宣布，該公司放棄采用“織女星”拼車(chē)發(fā)射，改用電子號(hào)火箭在2020年底發(fā)射其斯特里克斯阿爾法衛(wèi)星。該衛(wèi)星作為電子號(hào)火箭的唯一載荷，能夠在時(shí)間進(jìn)度和目標(biāo)軌道上有更大的靈活性和自主權(quán)。行星實(shí)驗(yàn)室公司的副總裁邁克·塞夫亞也表示，天星遙感衛(wèi)星利用星鏈任務(wù)搭載發(fā)射之后，需要靠自己的衛(wèi)星動(dòng)力調(diào)整到400公里的目標(biāo)軌道。

因此，拼車(chē)發(fā)射雖然能夠把發(fā)射成本降下來(lái)，但是像撒豆子一樣把衛(wèi)星部署到軌道后，微小衛(wèi)星還需要憑借自身的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行軌道調(diào)整，這對(duì)于衛(wèi)星壽命而言是很大的挑戰(zhàn)。因此，美國(guó)多家公司針對(duì)小衛(wèi)星研制軌道轉(zhuǎn)移飛行器，作為拼車(chē)發(fā)射服務(wù)的補(bǔ)充，解決衛(wèi)星入軌最后精確入軌的需求。

美國(guó)創(chuàng)企莫門(mén)圖斯公司看準(zhǔn)了上述時(shí)機(jī)，為微小衛(wèi)星研制“活力騎乘”軌道轉(zhuǎn)移服務(wù)飛行器，解決拼車(chē)發(fā)射服務(wù)“最后一公里”里的問(wèn)題。

“活力騎乘”采用水離子推進(jìn)系統(tǒng)，自身總重215千克，能夠?qū)?50千克以下的小衛(wèi)星從國(guó)際空間站軌道轉(zhuǎn)移到2000公里高度的軌道?！澳T(mén)圖斯”在2020年初從太空探索技術(shù)公司預(yù)定了2020年年底的拼車(chē)發(fā)射服務(wù)后，在5、6月份陸續(xù)收到來(lái)自4家用戶(hù)的14個(gè)載荷的發(fā)射訂單，訂單額達(dá)到4000萬(wàn)美元。能夠快速得到用戶(hù)認(rèn)可，說(shuō)明小衛(wèi)星軌道轉(zhuǎn)移服務(wù)的業(yè)務(wù)模式具有可行性。

除“莫門(mén)圖斯”外，美國(guó)穆格公司和航天飛行公司的小衛(wèi)星軌道轉(zhuǎn)移飛行器產(chǎn)品也將在近期投入使用。穆格公司的小運(yùn)載軌道機(jī)動(dòng)飛行器類(lèi)似于“活力騎乘”，能夠?yàn)樾⌒l(wèi)星發(fā)射提供姿態(tài)調(diào)整、軌道傾角調(diào)整、同軌道面上多衛(wèi)星不同相位部署、異面軌道部署，還可以作為上面級(jí)擴(kuò)展火箭性能幫助衛(wèi)星入軌，或者作為平臺(tái)搭載載荷長(zhǎng)時(shí)間留軌驗(yàn)證等。航天飛行公司在其次級(jí)載荷分配器基礎(chǔ)上通過(guò)增加動(dòng)力和電源系統(tǒng)后，改進(jìn)升級(jí)為夏爾巴系列軌道轉(zhuǎn)移飛行器，計(jì)劃在2020年底的“獵鷹9”發(fā)射任務(wù)中進(jìn)行首飛，搭載16個(gè)載荷，大部分為小衛(wèi)星，還有少數(shù)幾個(gè)有效載荷進(jìn)行短時(shí)間的在軌試驗(yàn)。

微小衛(wèi)星應(yīng)用越來(lái)越廣泛，無(wú)論是商業(yè)領(lǐng)域還是政府和軍方，都在充分利用其靈活性和彈性，未來(lái)的數(shù)量還會(huì)出現(xiàn)更大幅度的增長(zhǎng)。伴隨著規(guī)模的增長(zhǎng)，帶來(lái)的是如何實(shí)現(xiàn)低成本、高可靠進(jìn)入空間的問(wèn)題。顯然，無(wú)論是依靠專(zhuān)用的微小型火箭，還是利用搭載機(jī)會(huì)都不能從數(shù)量上滿(mǎn)足，所以拼車(chē)發(fā)射將成為最主要的途徑之一。尤其是在“最后一公里”的問(wèn)題得到解決之后，拼車(chē)發(fā)射可能會(huì)越來(lái)越受到小衛(wèi)星廠商的歡迎。