小衛(wèi)星發(fā)射的費效比

+ 張雪松/squirrel

小衛(wèi)星發(fā)射的費效比

+ 張雪松/squirrel

小衛(wèi)星以其物美價廉的特點，隨著技術的進步得到了空前的大發(fā)展，但在小衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的樂章中，卻有著不和諧的音符，那就是小衛(wèi)星的發(fā)射問題。航天發(fā)射的報價一向居高不下，小型運載火箭的單位質(zhì)量發(fā)射價格更是偏高，而微電子和微機電技術的進步浪潮下，小衛(wèi)星研制生產(chǎn)成本卻越來越低，這讓運載火箭和小衛(wèi)星在成本上的矛盾日益突出。

高低分明

航天產(chǎn)業(yè)一向具有高投入和高風險等特點，傳統(tǒng)的大型衛(wèi)星和火箭價格都十分昂貴，發(fā)射成本在整個任務成本中所占的比例不算太大，一般要遠小于衛(wèi)星的研制制造成本。以典型的通信衛(wèi)星為例，發(fā)射費用一般僅為數(shù)千萬到一億美元，而衛(wèi)星制造成本一般在兩億美元以上，很多特殊衛(wèi)星尤其是軍用衛(wèi)星，采購價格動輒超過十億美元。從這個角度說，傳統(tǒng)航天領域，運載火箭高昂的發(fā)射費用并不是太大的問題，而運載火箭價格也一直保持著高高在上的水平。即使是號稱廉價的太空探索技術公司，它們的獵鷹九號火箭發(fā)射報價也已經(jīng)提高到6120萬美元，而該公司最初的目標價格也有3000萬美元。不過隨著物美價廉的小衛(wèi)星的空前發(fā)展，情況有了巨大的變化。

現(xiàn)代小衛(wèi)星尤其是100千克級別甚至更小的衛(wèi)星，是未來全球遙感星座系統(tǒng)和中低軌道通信星座系統(tǒng)的主體，與動輒上億甚至十億美元的大型衛(wèi)星不同，現(xiàn)代小衛(wèi)星十分便宜。天體成像的SkyBox衛(wèi)星據(jù)稱成本小于500萬美元，而軌道通訊公司的小衛(wèi)星同樣比較便宜。我國通信衛(wèi)星技術和國際先進水平有一定差距，但國內(nèi)的信威公司搶在美歐公司之前，2014年就發(fā)射了自己的低軌道靈巧通信試驗衛(wèi)星，并計劃在2019年左右建立一個數(shù)十顆衛(wèi)星組成的低軌道全球通信衛(wèi)星星座。，天體成像、軌道通訊和信維通信公司的的全球星座衛(wèi)星數(shù)量也不多，分別只有24顆、18顆和32顆，傳統(tǒng)發(fā)射手段費用較高但仍然可以接受。不過隨著格雷格·惠勒提出、維珍老板布蘭森和高通公司參與投資的OneWeb星座方案的提出，傳統(tǒng)發(fā)射方式不僅心有余而力不足，而且非常成本也成為最突出的矛盾。OneWeb方案第一代有900顆衛(wèi)星，計劃到第二代增加到2400顆衛(wèi)星。至于太空探索技術公司推出、google等公司投資的低軌道全球Ka/Ku波段通信衛(wèi)星衛(wèi)星網(wǎng)絡，將包含4025顆衛(wèi)星。

如果說信威公司32顆衛(wèi)星組成的通信星座還可以用傳統(tǒng)火箭對付的話，OneWeb方案以及規(guī)模更大的太空探索技術公司方案，傳統(tǒng)運載火箭就顯得太過昂貴了。OneWeb方案計劃投資上限30億美元，最初曾計劃使用21枚聯(lián)盟火箭，每枚聯(lián)盟火箭攜帶多星分配器，發(fā)射總計648顆衛(wèi)星。目前阿里安宇航公司的聯(lián)盟火箭發(fā)射成本已經(jīng)提高到7000萬歐元（7910萬美元），即使未來聯(lián)盟火箭不繼續(xù)漲價，21枚聯(lián)盟火箭的發(fā)射成本就高達16.6億美元，遠遠超過了整個OneWeb低軌道通信星座其他部分的全部投資。至于太空探索公司方案的4025顆衛(wèi)星，如果用傳統(tǒng)運載火箭發(fā)射成本就更是一個天文數(shù)字。毫無疑問，昂貴的發(fā)射費用已經(jīng)成為小衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)發(fā)展的障礙。

時效性與軌道要求

商業(yè)公司和投資者涌向小衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)，有利可圖是最根本的原因。如果僅僅是發(fā)射費用過于昂貴，這些商業(yè)公司可能并不是太在乎，OneWeb低軌道通信星座系統(tǒng)不就曾計劃使用昂貴的聯(lián)盟火箭發(fā)射么？至于銥星二代、軌道通訊二代和天體成像公司的衛(wèi)星星座，由于全球星座數(shù)量較少，星座的組網(wǎng)發(fā)射更容易用傳統(tǒng)小型運載火箭或是大中型運載火箭的搭載發(fā)射來解決，當然也會為此付出一定的經(jīng)濟代價。

遺憾的是，小衛(wèi)星的應用不僅在于商業(yè)遙感和通信星座，它還在科研和軍事等領域倍受青睞，同樣得到了迅猛的發(fā)展。尤其是軍用領域，對小衛(wèi)星發(fā)射組網(wǎng)和補網(wǎng)的時效性要求很高，這對小衛(wèi)星的發(fā)射提出了更多的要求，是傳統(tǒng)運載火箭難以滿足的，即使是目前廣泛應用的小型運載火箭如米諾陶，也有發(fā)射準備時間太長和發(fā)射費用過高的缺陷。小衛(wèi)星還在科研領域和技術試驗方面應用廣泛，科研試驗用的小衛(wèi)星的發(fā)射量未必很大，但發(fā)射軌道很多都有特定的要求，大中型火箭搭載發(fā)射很難滿足它們的需求，而是用聯(lián)盟這樣的中型火箭加多星分配器發(fā)射，雖然可以滿足發(fā)射需求，但殺雞用牛刀帶來的高昂成本，卻是相關公司和機構(gòu)難以承擔的。

簡而言之，現(xiàn)有的小衛(wèi)星發(fā)射方式在費用、靈活性和時效性上都存在不小的問題，如果說大型衛(wèi)星的發(fā)射上費效比還可以接受的話，目前小型火箭發(fā)射或是大中型一次性火箭搭載發(fā)射小衛(wèi)星的方式，費效比問題尤其突出，現(xiàn)有運載火箭難以滿足現(xiàn)代小衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求，需要研制新的運載火箭或發(fā)射方式解決小衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)發(fā)展的短板。

攔路虎

小衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)發(fā)展的浪潮中，小衛(wèi)星發(fā)射領域存在發(fā)射費效比低和發(fā)射能力不足的障礙，已經(jīng)成了小衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)發(fā)展的障礙。小衛(wèi)星相對于大衛(wèi)星，在同等技術水平下必然功能較弱，如果是微衛(wèi)星、納衛(wèi)星級別，由于重量太小壽命也要短得多。小衛(wèi)星的優(yōu)勢，主要在于研制生產(chǎn)成本低，便于試驗或組網(wǎng)工作，此外小衛(wèi)星發(fā)射檢測和準備時間短，也有利于實現(xiàn)作戰(zhàn)響應空間。小衛(wèi)星擁有的這些固有優(yōu)勢，由于現(xiàn)有運載火箭能力的不足，實際上受到了削弱。

很多小型試驗衛(wèi)星為了降低發(fā)射成本只能搭載發(fā)射，但搭載發(fā)射方式在時間和軌道的靈活性上都很差。以印度PSLV-C9發(fā)射制圖衛(wèi)星-2A的搭載發(fā)射為例，這次一箭十星的發(fā)射重，9顆微納衛(wèi)星的軌道與制圖衛(wèi)星-2A相差不大，而制圖衛(wèi)星-2A是典型的太陽同步軌道衛(wèi)星，運行在高度630千米、傾角97.4度的圓軌道上，如果加拿大、丹麥、德國、日本和荷蘭的這些納衛(wèi)星對軌道有一定的要求，就只能望而卻步了。有些試驗衛(wèi)星甚至是搭載在貨運飛船內(nèi)，運往國際空間站并釋放的，衛(wèi)星的軌道更是受到國際空間站軌道的限制。搭載發(fā)射方式的局限性，也是歐盟的QB-50立方體衛(wèi)星計劃特意訂購了一枚運載火箭進行發(fā)射的根本原因；對于組網(wǎng)工作的衛(wèi)星而言，一般使用中小型運載火箭加多星分配器發(fā)射入軌，但現(xiàn)有的中小型運載火箭普遍價格偏高，以美國的米諾陶四號小型固體火箭為例，它的發(fā)射報價已經(jīng)提高到5000萬美元，這讓財大氣粗的美國空軍都不堪重負。小衛(wèi)星發(fā)揮組網(wǎng)工作的優(yōu)勢在運載火箭價格過于昂貴的前提下很難發(fā)揮出來，既然宇宙神五號等火箭報價只有一億多美元，獵鷹九號等中型火箭報價更是只有6000多萬美元，那么發(fā)射功能完善性能強大壽命更長的大型衛(wèi)星，很多時候反而是更合理的選擇；美國軍方的作戰(zhàn)響應空間（ORS）計劃中完全以小衛(wèi)星和微納衛(wèi)星為核心建立快速響應能力，計劃做到大批量生產(chǎn)小衛(wèi)星，針對地面的偵察和通訊需求快速發(fā)射小衛(wèi)星組網(wǎng)提供服務，在太空戰(zhàn)中快速發(fā)射小衛(wèi)星補網(wǎng)。作戰(zhàn)響應空間計劃看到了小衛(wèi)星具有研制周期短、研制成本低和便于大批量標準化生產(chǎn)的特點，意圖以小衛(wèi)星滿足未來軍事航天對衛(wèi)星網(wǎng)絡靈活性、健壯性和安全性的需求。但從目前的發(fā)展看，作戰(zhàn)響應空間計劃并不是太成功，其中一個重要原因就是還沒有合適的運載火箭。美國空軍曾使用米諾陶一號火箭發(fā)射ORS-1衛(wèi)星，但米諾陶一號火箭價格昂貴，發(fā)射準備時間長，無法滿足美國空軍作戰(zhàn)響應空間計劃對運載火箭的需求，只能作為臨時性的過渡手段，在作戰(zhàn)響應空間系統(tǒng)的開發(fā)階段發(fā)射ORS-1、ORS-2以及TacSat等小型衛(wèi)星。

總而言之，小衛(wèi)星發(fā)射領域在費用、費效比和性能上的缺陷，降低了小衛(wèi)星天然的成本優(yōu)勢和性能優(yōu)勢，已經(jīng)成為小衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)進一步加速發(fā)展的攔路虎。以美國為首，眾多國家都在研制新型運載火箭甚至可重復使用的運載工具，以其滿足小衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)發(fā)展的發(fā)射需求。