小衛星發射的發展

+ 張雪松/squirrel

小衛星發射的發展

+ 張雪松/squirrel

小衛星的研制如火如荼，小衛星商業化的大潮也撲面而來，而現有運載火箭性能的不足卻構成了小衛星產業的短板，降低了小衛星產業的發展速度。未來巨大市場的次級，推動和催生了小衛星發射火箭的發展，現在一大批小衛星運載火箭即將面世。

新一代小型運載火箭

小衛星發射手段中，小型運載火箭占據了重要的地位。小型運載火箭雖然運力不大，但發射報價低發射靈活性高，滿足了很多類型的小衛星的發射需求。軌道科學公司抓住小衛星市場發展的機遇，研制了米諾陶、飛馬座和金牛座等小型固體運載火箭，在小衛星發射市場上占據了先機。此一時彼一時，軌道科學公司的小型運載火箭相對當年的大中型運載火箭是物美價廉的選擇，但現在的發射報價卻日益高漲，無法滿足小衛星市場進一步發展的需求。在小衛星產業迅速發展的推動下，世界航天業界已經掀起了研制新一代小型運載火箭的熱潮，一大批新型小型運載火箭已經蓄勢待發。

美國是世界航天產業的領頭羊，小型運載火箭的研制上同樣奮勇當先。美國新成立的螢火蟲（firefly）空間系統公司正在研制名為螢火蟲α的小型運載火箭，這是一種小型二級液體運載火箭，使用小推力的擠壓循環液氧甲烷發動機FRE-1和FRE-2，箭體使用高強度碳纖維復合材料，近地軌道運力為400千克。螢火蟲α火箭的亮點，首先是它使用了液氧甲烷發動機和擠壓循環方式，同等技術水平下液氧甲烷組合在常用推進劑中比沖僅次于液氧液氫，而擠壓循環方式是最安全的發動機循環方式，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發動機實際上是9臺發動機的并聯，單臺發動機推力約40千牛，這9臺發動機構成了氣動塞式（Aerospike）噴口，保證了發動機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發動機屬于第一級單臺發動機的真空版，最大程度上簡化了設計和制造的難度，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多千牛的小型發動機，本身就極大地降低了火箭發動機的研制成本。螢火蟲α火箭的碳纖維復合材料殼體，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合材料的技術已經成熟，對螢火蟲公司來說，反而是兼顧性能和成本的最佳選擇。螢火蟲空間系統公司稱，螢火蟲α火箭的發射成本僅為900萬美元，是同等運力級別中報價最低的運載火箭，將在未來小衛星發射市場上占據重要地位。

美國空軍為了滿足作戰響應空間（ORS）計劃的需求，正在近地軌道納衛星集成防御自主系統（LEONIDAS）項目下研制滑軌發射的火花/斯巴克（SPARK）小型運載火箭，火箭將在ORS-4任務中于今年年底進行首次發射。航空噴氣洛克達因公司負責為“斯巴克”火箭提供火箭發動機并負責火箭的總體集成，“斯巴克”火箭又名“超級斯屆比”，是一種典型的三級固體運載火箭，和米諾陶等基于洲際導彈的固體運載火箭不同，“超級斯屆比”小型固體運載火箭是基于大型探空火箭“斯屆比”研制的，因此使用了傳統運載火箭中少見的滑軌發射方式?！八拱涂恕被鸺赜谔柾杰壍腊l射任務，發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，發射報價約為1200到1600萬美元。“斯巴克”火箭具有發射價格低廉，發射準備時間短，發射時間靈活性高等特點，將是美國空軍作戰響應空間未來發射微納衛星甚至小衛星的主力運載工具，也將滿足美國各政府機構、大學和商業公司低成本發射微納衛星的需求。

美國掀起了小型運載火箭的研制熱潮，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）小型液體運載火箭的方案，它的近地軌道運力約為110千克，可以說是為微納衛星訂做的火箭?！半娮印被鸺褂脧秃喜牧蠚んw，名為盧瑟福的發動機使用了電池驅動的渦輪泵，并使用了電子束熔融的3D打印技術制造，以最大限度的降低成本。新西蘭人稱“電子”火箭的發射報價略低于500萬美元，這使它在發射市場上占有不小的優勢；歐洲阿里安宇航公司2015年9月14日發布消息，稱為了應對未來小衛星的發射需求，該公司正在研究為客戶提供一種近地軌道300千克的小型運載火箭。挪威公司還計劃研制NSLV小型運載火箭，它派生于探空火箭，預計在2020年左右進行首次發射，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的納衛星送入軌道的能力，而AISSat-1衛星是搭載印度PSLV-C15火箭升空的的。

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

中型火箭的發展

小火箭具有發射價格低發射時間靈活的特點，但嚴格地說它們單位質量的發射成本始終大于大中型運載火箭。對于大量小衛星的發射，中型運載火箭始終是必不可少的中流砥柱。小衛星商業化熱潮中，Oneweb低軌道通信方案和太空探索技術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行發射。

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

太空探索技術公司作為航天發射市場上的新秀，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，它因為發射龍式飛船名聲遠揚，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，計劃未來讓第一級火箭返回發射場降落，檢修后快速再次投入使用。如果第一級火箭復用成功，該公司還將嘗試第二級火箭的反推再入和著陸，進行第二級的復用，最終做到整枚火箭完全可重復使用。太空探索技術公司的可重復使用的獵鷹九號火箭，未來將用于發射高達4025顆衛星的低軌道通信星座，據稱可重復使用的獵鷹九號火箭有望將單次發射費用降低到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公司提出一個規?？涨暗男⌒l星通信星座網絡的底氣。

有趣的是空中客車公司也提出了可重復使用運載火箭的計劃，名為“艾德琳”的低成本可重復使用運載工具基于現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射。“艾德琳”火箭有望重復使用大約10到20次，這將顯著降低發射成本，有助于空中客車公司和阿里安宇航公司保持商業發射市場上的優勢地位，也將為小衛星多星發射提供更多的選擇。