一網(wǎng)衛(wèi)星發(fā)射緣何選擇印度火箭

文/張晨

近日 一網(wǎng)公司和NSIL（新航天印度有限公司）簽訂了意向書，最早從2022 年起，使用印度極地軌道衛(wèi)星運載火箭（PSLV）和第三代地球同步衛(wèi)星運載火箭”（GSLV Mk.3）為“一網(wǎng)”發(fā)射衛(wèi)星。

▲ 一網(wǎng)衛(wèi)星

低地球軌道衛(wèi)星碎片布撒者

作為目前和龐大的美國低軌衛(wèi)星星座“星鏈”同時建設的另一個低軌道互聯(lián)網(wǎng)星座，一網(wǎng)公司的衛(wèi)星相對較少，其一期只設648 顆衛(wèi)星——這也讓其比“星鏈”星座的42000 顆衛(wèi)星的爭議少了許多。其一期工程一度打算部署數(shù)千顆衛(wèi)星，但最后削減至648 顆，工作于12 個軌道面，每軌設49 顆業(yè)務衛(wèi)星及5 顆備用衛(wèi)星。

一網(wǎng)公司是一家成立于2012年的全球衛(wèi)星通信公司，其前身為WorldVu 衛(wèi)星有限公司，致力于在全球范圍內(nèi)提供寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務。該公司總部位于英國倫敦，在美國加利福尼亞州設有辦事處并在佛羅里達州設有衛(wèi)星制造工廠。

一網(wǎng)公司在2015 年6 月向阿里安航天公司簽訂了21 發(fā)聯(lián)盟號運載火箭的合同，包括聯(lián)盟2.1b-弗雷蓋特M 運載火箭和聯(lián)盟ST-B 弗雷蓋特-MT 運載火箭。這些火箭在法國的庫魯航天中心、哈薩克斯坦的拜科努爾發(fā)射場、以及俄羅斯的東方發(fā)射場發(fā)射?！奥?lián)盟號”在庫魯和拜科努爾發(fā)射場發(fā)射時設34 顆衛(wèi)星，而在東方發(fā)射場發(fā)射時設36 顆。聯(lián)盟號火箭將把衛(wèi)星部署進入一條450 千米的軌道，隨后衛(wèi)星自行使用電推力器爬升至1200 千米軌道。同時一網(wǎng)公司向維珍軌道公司簽訂了39 次使用運載器一號小型空射運載火箭的單星發(fā)射。

最初一網(wǎng)公司也考慮過使用阿里安航天公司的阿里安6-2 火箭和藍色起源公司的新格倫火箭的發(fā)射服務，但最后都未施行。

2017 年的時候，一網(wǎng)公司宣布第一期648 顆衛(wèi)星的大部分容量已被出售，并且規(guī)劃建設第二期星座。一網(wǎng)星座二期曾計劃設置47844 顆衛(wèi)星，包括在40 度傾角和55 度傾角各設36個軌道面，部署兩個23040 顆衛(wèi)星的網(wǎng)絡，在87.9 度傾角軌道再部署36個軌道面總計1764 顆。但在2021 年1 月12 日，“一網(wǎng)”請求將兩個低傾角星座的衛(wèi)星數(shù)削減90%，星座方案變更為均運行于1200 千米軌道的6372 顆星。一網(wǎng)公司在文件中表示：“一網(wǎng)預計其第二階段星座的這一修訂部署計劃將使其能夠?qū)崿F(xiàn)更高的最終用戶吞吐量和頻譜效率，同時降低資金需求，培養(yǎng)一網(wǎng)的‘負責任的空間’愿景?！?/p>

▲ 一網(wǎng)衛(wèi)星終端

2019 年2 月27 日，聯(lián)盟ST-B弗雷蓋特MT 火箭發(fā)射了6 顆試驗星，第一批一網(wǎng)星座的業(yè)務衛(wèi)星則在2020年2 月發(fā)射升空。但由于新型冠狀病毒肺炎爆發(fā)等原因，在未能籌集到必要的資金來完成剩余90%衛(wèi)星的建造和部署后，該公司于2020 年3 月進入破產(chǎn)程序。同年11 月，一網(wǎng)公司從破產(chǎn)程序和重組中脫離，成立了一個新的所有權集團，由英國政府和印度跨國公司巴蒂全球領導，二方各控股42%。

▲ 在東方發(fā)射場發(fā)射36 顆一網(wǎng)衛(wèi)星的聯(lián)盟-2.1b-弗雷蓋特 M 火箭

截至目前，一網(wǎng)星座已經(jīng)完成組網(wǎng)352 顆（不包括6 顆試驗星），預計2022 年完成第一批衛(wèi)星的組網(wǎng)。

而在減少失控衛(wèi)星造成的空間碎片方面，若衛(wèi)星功能喪失但仍然可控，衛(wèi)星會使用其電推進器降低軌道以滿足美國宇航局的25 年離軌指標。但對于徹底損壞的衛(wèi)星，由于一網(wǎng)衛(wèi)星運行于極高的1200 千米繞地軌道，相比于美國宇航局提出的25 年內(nèi)自然離軌指標，一網(wǎng)衛(wèi)星完全不可能通過大氣阻力完成離軌。這樣一來，星鏈衛(wèi)星較低的運行軌道在這方面倒是一大優(yōu)勢。一網(wǎng)公司給出的應對策略為每顆衛(wèi)星攜帶激光雷達靶標和Altius DogTag 磁力抓取裝置，若衛(wèi)星失控，則可由第三方航天器對接并離軌，就是不知道一網(wǎng)公司肯不肯出這筆錢了。在諸多措施能夠施行的情況下，一網(wǎng)衛(wèi)星成為碎片來源的風險被確定為＜0.01，這符合美國宇航局的技術標準。

▲ 一網(wǎng)衛(wèi)星的背面，注意其激光雷達靶標和電推

PSLV：印度人真正的新起點

印度在完成了ASLV（加大推力運載火箭）的研制后，啟動了名為PSLV（極地衛(wèi)星運載火箭）的研制。PSLV主要用于發(fā)射太陽同步軌道衛(wèi)星，也具備高軌道任務的發(fā)射能力，但運載能力相對較弱。

印度從1978 年就開始謀劃發(fā)射太陽同步軌道衛(wèi)星，因為一般的地球遙感衛(wèi)星都運行于該軌道。換句話說只有掌握了太陽同步軌道發(fā)射能力，航天產(chǎn)業(yè)才能真正發(fā)展起來。雖然ASLV是“加大推力”，但其近地軌道運載能力也只有150 千克。

而PSLV 則不同，它采用了一個很復雜的四級半構型設計。其第一級使用了巨大的S-139固體火箭發(fā)動機，最大真空推力495 噸，采用5 段式的設計，幾乎達到當時印度人設計固體火箭發(fā)動機能力的極限，這是缺乏高性能液體火箭發(fā)動機的無奈之舉。第二級使用1 臺繼承自阿里安火箭維京發(fā)動機的維卡斯發(fā)動機，使用偏二甲基肼-四氧化二氮推進劑。一般來說，好鋼用在刀刃上，三級的性能要求更高，但是印度人居然又使用了固體發(fā)動機。7.6 噸的固體三級燃燒83 秒，隨后使用一甲基肼燃料的第四級火箭會完成最后入軌。

PSLV 可以不安裝助推器，即PSLV-CA 光桿構型。這個時候可能會發(fā)現(xiàn)火箭上的4 個“小助推”（CA構型是4 個，其余是2 個），其實是用于驅(qū)動固體火箭推力偏轉(zhuǎn)和控制滾轉(zhuǎn)的控制器，PSLV-CA 具備1.1 噸的622 千米太陽同步軌道運載能力。捆綁6 個S-9 固體助推的為標準型PSLV-G，622 千米太陽同步軌道運載能力為1.6 噸。使用加長S-12 助推器的為加強型PSLV-XL，622 千米太陽同步軌道運載能力為1.8 噸。后來印度人又研制了2 個助推的PSLV-DL和4 個助推的PSLV-QL 型，形成了運力梯度。

▲ S-139 固體火箭分段吊裝

PSLV 運載火箭高44 米，芯級直徑2.8 米，火箭起飛質(zhì)量為320 噸（PSLV-XL），PSLV 也具備將1.3 噸載荷發(fā)送往地球靜止轉(zhuǎn)移軌道的能力。所以PSLV 火箭也發(fā)射過一些高軌道衛(wèi)星，如印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)和曼加里安號火星探測器。

值得注意的一件事是，因為斯里哈里科塔的太陽同步軌道射向剛好被斯里蘭卡所阻擋，所以PSLV 火箭需要先向東飛行，隨后轉(zhuǎn)彎向西南入軌，這在一定程度上損失了運載能力。如果不做這次偏航機動，PSLV-G 可以將1.6 噸載荷直接送入900 千米高的太陽同步軌道。

PSLV 火箭雖然性能不算先進，但是印度人的商業(yè)報價極低——平均一發(fā)不到3000 萬美元的商業(yè)報價使得很多小型衛(wèi)星選擇其作為搭車的運載器。所以印度人經(jīng)常會“撒土豆”，賺錢嘛，不寒磣。

GSLV Mk3——大國“重”器

作為印度下一代大推力運載火箭承上啟下之作，GSLV Mk.3（第三代地球同步衛(wèi)星運載火箭）運載火箭使用了全新的4 米芯級。全箭包括3 種模塊：作為實際起飛級的S-200 固體火箭發(fā)動機模塊，捆綁在高空點火的芯一級模塊上；使用2 臺維卡斯-1B偏二甲基肼-四氧化二氮火箭發(fā)動機的一級；使用1 臺CE-20 液態(tài)氫-液態(tài)氧火箭發(fā)動機的二級?；鸺痫w質(zhì)量為640 噸，可將4 噸載荷送入地球靜止轉(zhuǎn)移軌道，或?qū)?0 噸載荷送入低地球軌道。

雖然這枚火箭將托起印度人的登月夢和載人航天夢，但GSLV Mk.3 火箭的運載效率實在低得驚人。很明顯，印度是想學美國的大力神3 系列運載火箭，使用2 枚固體火箭起飛，高空點燃常溫燃料的第一級火箭，并且使用氫氧末級完成入軌。

S-200 的性能實在并不好看，主要是因為其鋼制的沉重殼體，其0.868的裝藥比甚至不如塞了一堆降落傘的航天飛機助推器——后者的裝藥比為0.881。其燃料效率也很低，海平面比沖比世界主流水平低10%以上。

二級使用的CE-20 液氫液氧火箭發(fā)動機雖然推力不錯，但其比沖并不算優(yōu)秀，況且不具備多次啟動能力，導致印度無法沿著正東向最大化地球自轉(zhuǎn)加速度而發(fā)射運載火箭，這極大的限制了其特殊軌道發(fā)射的能力。對于深空任務，在某些窗口需求下是完全無法發(fā)射的。

如果要一個對比的話，同為4 噸級靜止轉(zhuǎn)移軌道運載能力，運載能力4.23 噸的德爾它4M 型起飛質(zhì)量僅為256 噸；而同為固推起飛+常溫級高空點火，相同的起飛質(zhì)量下，美國的大力神3E 型具備7 噸發(fā)送往地球同步轉(zhuǎn)移軌道的運載能力，但是GSLV Mk.3 型只有4 噸。雖然它相對于印度以前的火箭來說是一個重大進步。

未來，印度打算對該火箭進行減重，將其運載能力提升至4.4 噸；隨后一級換裝1 臺200 噸的SCE-200液氧/煤油分級燃燒火箭發(fā)動機，運載能力提升至5 噸；將二級加大后運載能力能達到5.8 噸；對S-200 進行改進后，該型號的終極運載能力可以達到6.2 噸。

GSLV-Mk.3 火箭目前完成3 次軌道級發(fā)射（D1,D2,M1)，均獲得成功，包括印度的月船2 號登月航天器。未來該火箭還將發(fā)射月船3 號，及“天船”載人飛船。

疫情中的印度航天

在2020 年之前，印度的航天似乎真有一種快步發(fā)展的勢頭。PSLV 火箭和GSLV 火箭連續(xù)成功，登月、探火、載人航天、空間站、靜止軌道光學遙感衛(wèi)星、大推力氫氧發(fā)動機、分級燃燒液氧煤油火箭發(fā)動機等計劃或者開始實施，或者準備實施，似乎真有一種大國崛起的感覺。但就在2020 年，新型冠狀肺炎病毒肆虐全球，印度的航天停滯了。

▲ 發(fā)射EOS-01 的PSLV 運載火箭吊裝S-12 助推器

▲ 運載器組裝大樓中的PSLV-XL C47 運載火箭

▲ 一個廠房中的S-200 分段

▲ 用于“天船”載人飛船用L110 級維卡斯-1B發(fā)動機驗證點火

▲ GSLV Mk.3 火箭發(fā)射升空

▲ 亞軌道試飛的GSLV Mk.3 運載火箭

2020 年，印度的航天發(fā)射僅有2次，2021 年也是2 次，且其中1 次并未獲得成功。而更加離譜的是，由于印度的復雜社會環(huán)境和落后的基礎設施建設，導致患者需要但又無法獲得大量的液態(tài)氧。于是航天中心的液氧被用去治療重癥病人，某種意義上來說，印度的航天發(fā)射被疫情所中止?！霸麓? 號”和“天船1 號”試飛均被多次推遲，目前均不早于2022 年。SSLV 小型運載火箭的研制也是一波三折。而發(fā)射EOS-06 光學遙感衛(wèi)星的PSLV 火箭自2021 年09 月11 日進場以來已超過40 天，仍未發(fā)射。GSLV Mk.3 火箭的總裝更是超過兩個月，進展極為緩慢，如果印度不能徹底消除新型冠狀肺炎病毒的影響，由于疫情而導致的如此緩慢的發(fā)射速度，是完全無法單獨完成一個巨型低軌道星群建設的。

因此，以目前印度的航天發(fā)射能力，是否有替代“聯(lián)盟號”，單獨執(zhí)行組建大規(guī)模低地球軌道衛(wèi)星星座的能力，是值得懷疑的。對于載荷運載能力來說，考慮到一網(wǎng)衛(wèi)星一顆重150 千克，初始軌道為450 千克高度，傾角86.40°，PSLV-XL 火箭向該軌道可以一次發(fā)射14 顆以上，而GSLV Mk.3 可以投射接近50 顆。但GSLV Mk.3 火箭目前產(chǎn)量較低，印度人能否在嚴重的疫情影響下大規(guī)模發(fā)射GSLV Mk.3 火箭還是一個問題。使用PSLV 火箭的可能性較大，但一次性投射14～16 顆衛(wèi)星的運載能力，同樣無法擔當快速組網(wǎng)的主力任務——發(fā)射6372 顆衛(wèi)星，如全部使用PSLV 火箭，需要超過450 次。

▲ GSLV Mk.3 D2 火箭

目前尚不清楚一網(wǎng)公司打算選擇印度運載火箭發(fā)射衛(wèi)星是否和其股東“巴蒂全球”有關，還是看上了印度火箭的廉價優(yōu)勢。但無論怎么說，一網(wǎng)公司選擇PSLV 和GSLV Mk.3 的發(fā)射并不像是將組網(wǎng)重心轉(zhuǎn)給印度，更可能只是一種加速二代星座組網(wǎng)的方法。

反正這次只是簽訂了意向書，而非實際合同。印度人甚至沒有過建設中型星座（如一個全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）的經(jīng)驗，貿(mào)然參與大規(guī)模低軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡建設，其中風險不小。

建造低軌道衛(wèi)星星群的需求

順便提幾句，大規(guī)模建設低軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡需求就一個字——快。因為小型低軌道衛(wèi)星壽命有限，如果極其緩慢地進行發(fā)射，那么等最后的衛(wèi)星上去后，前面的早就壞了或者再入了。因此在大規(guī)模建設低軌道衛(wèi)星網(wǎng)的時候，要容忍失敗——打幾百、上千顆衛(wèi)星總會出點啥問題，如果一兩顆衛(wèi)星出現(xiàn)問題，就把后續(xù)所有衛(wèi)星發(fā)射全部叫停，處理故障幾個月，那永遠造不出大規(guī)模的低軌道星座。

其次，要將發(fā)射掌握在星座建設者的手里。比如太空探索技術公司發(fā)射“星鏈”，用的就是自家的獵鷹9火箭。將運載器掌握在自己手里的好處就是可以快速迭代、快速歸零。當然多種運載器進行發(fā)射互相備份也是一種思路，如果將二者結合，那會是很好的組網(wǎng)利器。大規(guī)模低軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡建設是極其考驗發(fā)射和運作方的管理能力的，因此在某些程度上需要跳出常規(guī)思維。

為提升發(fā)射效率，對衛(wèi)星的設計也需要跳出常規(guī)。最好的例子就是類似太空探索技術公司的堆疊衛(wèi)星設計，現(xiàn)在也有一些變形堆疊，甚至“餅”式衛(wèi)星。低軌道衛(wèi)星需要最大限度利用整流罩空間，甚至中央承力筒也不需要，這樣可以更快地加速組網(wǎng)。除此之外，類似太空探索技術公司使用的商業(yè)元器件、氪離子電推等，新的低軌道衛(wèi)星網(wǎng)都可以嘗試。

▲ 一種“碟”形衛(wèi)星構型