國外“一箭多星”發射現狀及關鍵技術分析

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國外“一箭多星”發射現狀及關鍵技術分析

吳勝寶胡冬生（中國運載火箭技術研究院研究發展中心）

Current Situation and Key Technology of Multi-payload Launch Missions

“一箭多星”是用一枚運載火箭將兩顆以上的衛星發射至預定軌道。“一箭多星”發射能使單顆衛星的發射費用降低，有助于用大、中型運載火箭發射多顆中、小型以及微納衛星。對于由中小型衛星組建全球通信與導航衛星網絡系統，從費用、時間以及火箭運載能力來看，最可行的方案是“一箭多星”發射。伴隨著微小衛星技術的快速發展，“一箭多星”發射任務的需求將越來越多。

1　發射統計分析

1960年，美國首次用一枚火箭發射了兩顆衛星，1961年又實現了“一箭三星”發射。隨后蘇聯、歐洲航天局實現了“一箭多星”發射，我國于20世紀80年代實現了“一箭多星”發射，成為繼美國、蘇聯、歐洲航天局后第4個掌握“一箭多星”發射技術的國家。隨后，印度和日本先后掌握了“一箭多星”發射技術，兩國分別于2008年和2009年完成了“一箭十星”和“一箭八星”的發射，引起了世界范圍內廣泛關注。

2006年至2015年6月近10年間，國外實現“一箭多星”發射的次數共有156次（成功149次，失敗7次），占運載火箭總發射次數的25.91%。149次成功發射共將589顆有效載荷送入軌道，平均每次發射3.95顆衛星。除2006年、2008年外，近10年間每年“一箭多星”發射成功次數在15～19次之間。

在“一箭四星”以上的發射任務中，近10年間共進行了59次發射。其中，俄羅斯23次，次數最多，并且2014年6月19日“第聶伯”火箭成功完成了“一箭三十七星”發射，創造了“一箭多星”發射的新記錄。美國16次，歐洲5次，日本7次，印度8次。在59次“一箭四星”以上的發射任務中，執行低地球軌道（LEO）和太陽同步軌道（SSO）的多星發射任務一共有51次，占所有任務的86.4%。可以說，國外“一箭多星”發射的目標軌道主要是低地球軌道和太陽同步軌道。

2006-2015年國外“一箭多星”發射次數

2　典型火箭“一箭多星”發射情況介紹

近1 0年間，俄羅斯執行過“一箭多星”發射任務的火箭主要有聯盟FG、聯盟-2.1a/2.1b（弗雷蓋特上面級）、“第聶伯”、宇宙-3M、隆聲-KM；美國執行過“一箭多星”發射任務的火箭主要有德爾他-2、宇宙神-5、人牛怪-1和4以及獵鷹-9火箭；歐洲執行過“一箭多星”發射任務的火箭有阿里安-5、聯盟ST、“織女星”火箭；日本執行過一箭多星發射任務的火箭有H-2A和2B火箭；印度主要是“極軌衛星運載火箭”執行“一箭多星”發射任務。可以看出，執行“一箭多星”發射任務的火箭不僅有大、中型運載火箭，如阿里安-5、聯盟-2，也有小型運載火箭，如“織女星”、人牛怪-1。

“第聶伯”火箭“一箭多星”發射

“第聶伯”火箭是目前“一箭多星”發射的記錄保持者，在2014年實現了“一箭三十七星”發射。2007年和2013年該火箭分別成功進行了“一箭十四星”和“一箭三十二星”的發射任務。“第聶伯”火箭通過多星分配器進行“一箭多星”發射，在分配器承力筒頂端安裝主任務衛星，在分配器承力筒下方的環形承力盤上安裝多顆小衛星，多星布局如圖1所示。

圖1　俄羅斯“第聶伯”火箭多星布局圖

聯盟-2/“弗雷蓋特”火箭“一箭多星”發射

聯盟-2/“弗雷蓋特”火箭是世界商業發射市場的主流中型運載火箭，2010年至2015年6月，該火箭4次完成了共24顆第二代“全球星”通信衛星的發射任務。每次任務是“一箭六星”，6顆衛星分兩層懸掛在筒式分配器側壁。上層并聯懸掛2顆衛星，下層并聯懸掛4顆衛星，上、下兩層衛星錯開一定角度。發射任務中，由“弗雷蓋特”上面級將6顆衛星部署在920km高度、52°傾角的低地球軌道上。

圖2　聯盟-2火箭“一箭六星”布局圖

“人牛怪”火箭“一箭多星”發射

“人牛怪”火箭是近年美國執行“一箭多星”發射任務最多的火箭。2010年，人牛怪-4火箭完成“一箭七星”發射任務。該火箭采用“盤式多星分配器”（MPA）進行多星發射，4顆主要衛星位于“盤式多星分配器”上，其中1顆衛星上安裝有1顆科學技術驗證衛星，另外2顆小衛星安裝于火箭的第四級上。在任務中，火箭末級首先將7顆衛星載荷送入650km高度、傾角72°的低地球軌道上，之后，利用“聯氨輔助推進系統”（HAPS）把2個火箭技術驗證有效載荷送入高1100km的低地球軌道內。

圖3　人牛怪-4火箭“一箭七星”布局圖

阿里安-5火箭“一箭多星”發射

阿里安-5火箭是歐洲的主力大型火箭，主要用于將通信衛星發射送入地球同步轉移軌道（GTO）。阿里安-5火箭多采用“一箭雙星”發射方式，雙星通過“阿里安”雙星發射系統（Sylda-5）在整流罩內分層布置。2009年，阿里安-5 ECA型火箭成功實現了“一箭四星”發射任務，主載荷是2顆通信衛星，位于Sylda-5雙星適配器內外端，搭載的2顆衛星位于有效載荷支架兩側面。

圖4　阿里安-5 ECA火箭“一箭四星”布局示意圖

印度“極軌衛星運載火箭”“一箭多星”發射

“極軌衛星運載火箭”是印度的主力火箭，其在2007-2015年（2012年除外）間幾乎每年都成功完成了“一箭多星”發射任務。2008年，該火箭以“一箭十星”方式成功將10顆衛星發射升空，衛星總質量為824kg。發射885s和930s，火箭先后釋放質量較大的2顆衛星，隨后，8顆質量在3～16kg之間的超小型納衛星也相繼釋放，8顆納衛星質量共50kg，其中6顆捆綁在一起。這枚“極軌衛星運載火箭”的有效載荷布局如圖5所示，分配器承力筒頂端安裝主任務遙感衛星，在分配器承力筒下方的環形承力盤上安裝多顆小衛星，并且在承力筒側壁懸掛安裝多顆納衛星。

圖5　印度“極軌衛星運載火箭”“一箭十星”布局圖

3　關鍵技術分析

多星分離與軌道部署技術

當一次發射的多顆衛星對于軌道高度以及軌道相位沒有較高要求，如搭載發射多顆微納衛星，火箭入軌后，只需要在特定的軌道上將衛星依次釋放出，確保分離出的衛星之間不發生碰撞即可。此種任務實施難度相對較小，“第聶伯”火箭以及印度“極軌衛星運載火箭”的多星發射任務大多屬于此種情況。

當一次發射的多顆衛星對于軌道高度或軌道相位有較高要求時，實施“一箭多星”發射任務，運載火箭在傳統技術基礎上還必須有一個先進的上面級，通過上面級的多次點火、起動，機動至同一軌道面不同相位處或者不同軌道高度處，完成衛星分離及軌道部署，以滿足不同衛星入軌的相位或高度要求。聯盟-2火箭“一箭六星”發射任務以及“隆聲”火箭“一箭三星”發射任務中，便是通過“弗雷蓋特”上面級、“微風”上面級實現衛星的精確入軌。

圖6　“微風”上面級“一箭三星”布局示意圖

采用上面級進行多星發射及軌道部署，可以利用上面級的強機動性，減少多星部署的時間，降低衛星本體的機動性能要求。相較于傳統的火箭末級，上面級需要具備多次起動、長時間在軌的能力，如執行同一軌道面內不同相位要求的“一箭十星”發射任務，上面級必須要具備18次起動能力，在軌時間需要數天。

此外，通過空間站釋放微小衛星也成為微小衛星分離及軌道部署的重要手段。2014年1月8日，美國“安塔瑞斯”火箭在發射“天鵝座”飛船時，將33顆小衛星發射到“國際空間站”，并隨后從“國際空間站”釋放入軌。2014年全年，成功進入空間站的航天器數量達到67個，已經釋放了47個。

多星分配器設計技術

衛星分配器用于提供衛星在火箭整流罩內的安裝布局位置。目前，多星發射的方式主要有兩大類，一類是規模相當的多顆衛星一次發射，如衛星星座中導航衛星、通信衛星等，每顆衛星的質量、尺寸基本上一樣，多星分配器可采用中心承力筒式多星分配器或盤式多星分配器，衛星在整流罩內的布局方式如圖2、圖3所示。另一類是搭載發射，在多顆衛星中，一顆是主任務衛星，另外的幾顆微納衛星為搭載衛星，主任務衛星一般多位于衛星分配器的頂端，搭載衛星多在分配器的側壁或下方四周，衛星在整流罩內的布局方式如圖1、圖5所示。

圖7　中心承力筒式及圓盤式多星分配器多星布局示意圖

隨著“一箭多星”發射任務的增加，為提高搭載效率和減小分離沖擊，國外研制了多種新型的多星分配器，如美國“改進型一次性運載火箭次級有效載荷分配器”（ESPA）。該分配器為筒形結構，下端面為其與運載火箭或上面級的接口，上端面為主任務衛星接口，側壁根據小衛星的接口形式，周向均布多個小衛星接口。這種分配器及多星發射布局設計極大地減小了次級有效載荷對主任務衛星的影響，合理地利用了多星分配器及整流罩內的空間。

針對立方體衛星（CubeSat）的搭載任務，美國加州理工大學和斯坦福大學研制了“多皮衛星在軌分配器”（P-POD）。多顆立方體衛星在“多皮衛星在軌分配器”內并排布置，當星箭分離時，艙門的解鎖裝置分離，艙門在底部的扭簧作用下打開，作用在艙底的主分離彈簧由于去掉了艙門的位置限制，推動活動底板，將衛星逐個從艙底向艙口推出，衛星的導向是靠艙內四角的導軌實現。根據衛星數量的不同，還可以有單星“多皮衛星在軌分配器”、雙星“多皮衛星在軌分配器”和多星“多皮衛星在軌分配器”等多種規格。“多皮衛星在軌分配器”可以在多種運載火箭上搭載使用，從2003年開始，已經有多顆立方體衛星通過“多皮衛星在軌分配器”實現搭載發射。

圖8　ESPA多星分配器及多星發射布局示意圖

圖9　“多皮衛星在軌分配器”示意圖

衛星微小型化和標準化技術

衛星平臺與載荷的微小型化和標準化也是進行“一箭多星”發射的核心技術之一。在微小型衛星搭載任務中，主載荷完成布局后，留給微小型衛星的空間和重量均非常有限。衛星需要采用標準化設計，簡化接口，降低質量和尺寸。隨著微電子、微光機電和集成電路技術不斷發展，衛星小型化趨勢不斷加速。目前快速發展的立方體衛星便是一個典型，單個立方體衛星的質量只有約1kg，尺寸只有10cm×10cm×10cm。立方體衛星的研制以及標準化，降低了“一箭多星”發射任務時衛星布局和分離的難度。

多星發射地面測控技術

“一箭多星”發射入軌，對于地面測控系統壓力增大。其測控數據由傳統的1～2顆增加到幾顆、十幾顆，測控能力要求增加。為了滿足“一箭多星”的發射任務需求，需要從兩方面解決多星測控問題：一方面在衛星設計和研制中，重點解決衛星的自主運行管理與測控問題，減輕地面測控壓力；另一方面需要對地面測控系統進行優化配置，采用先進的地面多星測控技術，在有限的測控時間內完成對多顆衛星的運行管理與測控任務。

4　結束語

從20世紀60年代開始，航天大國便開始進行“一箭多星”發射。近10年間，國外“一箭多星”發射次數占運載火箭總發射次數的1/4左右，發射方式有“一箭多星”發射和搭載發射；衛星在軌道上可通過火箭末級、上面級、飛船或空間站進行部署。

微小型衛星技術的高速發展，尤其是立方體衛星技術和相關標準的不斷成熟，多星發射的需求將會越來越多，并將成為微小衛星低成本進入空間的主要手段。