印度“一箭104星”任務簡析

印度“一箭104星”任務簡析

Analysis on the Mission of India' s Launching of 104 Satellites on a Single Rocket

劉博 特日格樂 王聰 陳建光 李虹琳 （中國航天系統科學與工程研究院）

2017年2月15日，印度“極軌衛星運載火箭”（PSLV）搭載104顆衛星從薩提斯達瓦航天中心發射，將制圖衛星-2D（CartoSat-2D）遙感衛星和103顆納衛星送至太陽同步軌道（SSO），打破俄羅斯“第聶伯”（Dnepr）火箭“一箭三十七星”發射記錄，創下運載火箭單次發射衛星數量世界記錄。

1 發射任務情況

“極軌衛星運載火箭”基本情況

“極軌衛星運載火箭”系列包括3種在役型號，基本型極軌衛星運載火箭-G為捆綁6枚固體助推器的四級運載火箭；芯級型極軌衛星運載火箭-CA為不捆綁固體助推器的四級火箭；增強型極軌衛星運載火箭-XL與基本型構型相同，增加了固體助推器推進劑質量來提升運載能力。印度此次發射使用增強型極軌衛星運載火箭-XL，全長44.4m，起飛質量320t，整流罩直徑3.2m、高8.3m。該火箭太陽同步軌道運載能力1750kg，地球同步轉移軌道（GTO）運載能力1425kg。

極軌衛星運載火箭-XL第一級捆綁助推器采用固體推進劑，芯級間隔采用固、液推進系統，芯一級、三級采用固體推進劑，二級和四級采用液體推進劑。

火箭發射時序

此次發射的104顆衛星中，制圖衛星-2D和印度納衛星-1A、1B（INS-1A、1B）直接安裝在火箭第四級（上面級）適配器上，其余納衛星則封裝在25個荷蘭公司研制的“QuadPacks”納衛星分配器上，再被安裝于火箭第四級。當火箭發射至510km軌道高度后，火箭上面級首先釋放制圖衛星-2D和印度納衛星-1A、1B；之后10min內，上面級控制“QuadPacks”分配器在511.7～524km高度范圍依次彈出其余衛星，確保衛星之間不會相撞。

火箭發射時序

“極軌衛星運載火箭”各級性能參數

入軌衛星情況

本次任務發射的衛星總質量為1378kg，包括1顆“制圖衛星”、2顆“印度納衛星”，以及101顆來自美國、荷蘭、瑞士等的國外納衛星。衛星軌道高度位于510～524km之間，傾角97.46°。

（1）制圖衛星-2D

制圖衛星-2D由印度空間研究組織（ISRO）研制，是印度軍民兩用高分辨率光學對地成像衛星制圖衛星-2系列中的第5顆。該衛星采用印度遙感衛星-2（IRS-2）平臺，質量714kg，由印度空間研究組織負責運營。該系列衛星旨在獲取高分辨率和多光譜圖像，為印度軍方以及民事應用提供服務，主要用途包括地圖測繪、城市規劃、環境監測、資源管理以及減災。

該衛星攜帶2個有效載荷，1個是高分辨率全色相機，分辨率0.65m，另1個是4通道多光譜成像儀，分辨率2m，幅寬10km。這2個載荷共用1個口徑70cm、焦距5.6m的望遠鏡。制圖衛星-2D入軌后將與2016年6月發射入軌的制圖衛星-2C構成雙星星座，實現對印度國土的快速重訪。此外，為實現更高的分辨率，該衛星軌道高度為505km，低于之前的制圖衛星-2、2A和2B系列衛星。

（2）印度納衛星-1A和1B

印度納衛星-1A和1B是印度空間研究組織研制的2顆技術試驗衛星，均采用了新型“印度納衛星”多用途平臺，將進行6個月至1年的在軌演示任務，以驗證該衛星平臺性能。該衛星平臺采用高度模塊化設計，可進行多種載荷的技術演示和科學研究任務，其主要目標是，為發展中國家提供將本國載荷以更具效費比方式送入太空的機會。

印度納衛星-1A質量8.4kg，有效載荷包括“表面雙向反射分布函數輻射計”（SBR）和“單粒子翻轉監測儀”（SEUM），均由印度太空應用中心（SAC）研制，前者用于測量地面目標的雙向反射分布函數，后者用于監測一些商業現貨（COTS）電子元器件在低軌道太空環境下的單粒子翻轉現象。印度納衛星-1B衛星質量為9.7kg，搭載載荷包括由印度光電系統實驗室研制的“地球大氣外逸層萊曼α分析儀”和由印度太空應用中心研制的超精細相機，前者用于測量近地空間中的原子氫的光譜特征以研究氫含量，后者主要完成技術驗證任務。

（3）鴿群-3P衛星

本次發射的88顆鴿群-3P（Flock-3P）衛星屬于美國行星公司（Planet），是其運營的“鴿子”（Dove）星座衛星系列。鴿群-3P衛星質量4.7kg，可以獲取地球表面全色和多波段圖像，圖像分辨率3～5m。

行星公司之前的大多數“鴿群”衛星采取從“國際空間站”（ISS）釋放的部署方式，部署軌道不能覆蓋整個地球，并且衛星只能持續工作6個月至1年時間。利用此次“極軌衛星運載火箭”搭載發射，88顆“鴿群”衛星可以被送入更高、更長期的軌道，進而實現全球覆蓋；并且這是目前世界單次發射部署同一個運營商衛星數量最多的任務，也是“鴿群”衛星的第15次發射部署。

（4）狐猴-2

本次發射的8顆狐猴-2（Lemur-2）衛星屬于美國斯派爾公司（Spire），均為3U立方體衛星，并采用相同衛星配置，每顆質量4.6kg。衛星搭載2個有效載荷，包括用于探測地球大氣層溫濕度垂直剖面數據的GPS掩星測量系統，以及用于跟蹤識別全球海上船只以提供商業服務的“自動識別系統”（AIS）接收機。該批狐猴-2衛星發射成功，將斯派爾公司的遙感衛星星座規模提升至29顆。

（5）“壓電輔助智能衛星結構”

“壓電輔助智能衛星結構”（PEASSS）是荷蘭應用科學研究院（TNO）聯合多家歐洲企業研制的3U立方體技術試驗衛星。該衛星質量僅3kg，屬于歐盟委員會“研究和發展信息服務共同體”（CORDIS）框架管理的項目。該衛星由歐盟委員會根據“第七框架計劃”投資研制，投資方包括荷蘭應用科學研究院、德國主動太空技術公司（AST）、以色列理工學院（Technion）、比利時索納卡公司（SONACA）和荷蘭太空創新公司（ISIS） 等。任務目標是演示由復合面板、壓電材料和下一代傳感器結合構成的智能結構技術。該技術可以保持光學元件完美校準，抵消來自衛星平臺的機械振動，并減輕衛星結構的熱膨脹/收縮，是未來構建超穩定天基成像系統的基礎。除了驗證智能結構及其性能，“壓電輔助智能衛星結構”將測試用于納衛星的下一代功率調節和數據采集組件。

（6）DlDO-2

DIDO-2衛星是由瑞士-以色利聯合公司SpacePharma設計的3U微重力研究立方體衛星，質量為4.3kg，目的是開發一個可以完全遙控的太空微型實驗室，開展微生物學、生物化學以及微物理學研究實驗。該衛星搭載名為mGnify的微型實驗系統，為研究人員提供了微重力的研究環境。地面人員可以從世界任何地方經過安全的網絡接口，遙控進行“單芯片實驗技術”載荷、顯微鏡、光譜儀、微型重力泵和其他設備的試驗。

（7）BGUSat

BGUSat是以色列古里安大學與以色列航空航天公司聯合研制的3U立方體技術試驗衛星，主要用于在低地球軌道（LEO）上進行技術驗證。衛星質量為4.3kg，由古里安大學學生設計，攜帶的有效載荷包括1個獲取648×488像素圖像的中等分辨率CCD相機，實驗性天基GPS接收機，光通信系統、實驗型陀螺儀和一個為未來小衛星任務設計的霍尼韋爾智能數字磁力計單元。

（8）Al-Farabi-1

Al-Farabi-1是由哈薩克斯坦法拉比國立大學學生研制的1顆2U立方體技術試驗衛星，旨在為高校學生進行衛星任務研制提供工程經驗，任務內容包括調整測試通信算法、衛星姿態測定與控制軟件，以及測試星上自研器件壽命。衛星搭載的主要載荷是商用航天級全色相機NanoCam。該相機由丹麥GomSpace公司提供，用于進行地球遙感成像試驗，覆蓋范圍165km×125km，空間分辨率80m。

（9）Nayif-1

Nayif-1由阿聯酋穆罕默德·賓·拉希德空間中心（MNRSC）和美國薩迦大學（AUS）聯合研制，是1顆1U立方體技術試驗衛星，也是阿聯酋的第一顆納衛星，旨在為高校學生提供衛星飛行任務設計、開發、制造和操作方面的實踐經驗。該衛星質量為1.1kg，星上有效載荷為業余無線電衛星公司提供的業余通信終端FunCube-5。

2 印度運載火箭技術能力分析

印度“一箭多星”發射技術趨于成熟，與主要航天國家仍有差距

“一箭多星”發射是用一枚運載火箭將2顆及以上衛星發射至相同或不同的預定軌道，可充分利用火箭運載能力，降低衛星發射成本。目前世界上掌握“一箭多星”發射技術的國家/地區有美國、俄羅斯、歐洲、中國、日本、印度。其中，印度于1999年首次利用“極軌衛星運載火箭”成功實施“一箭三星”發射，至今已成功完成19次“一箭多星”任務。其中，于2016年9月突破火箭上面級重啟與變軌技術，將8顆衛星送入2個不同軌道；在本次“一箭104星”多星共軌發射任務中，印度引進了國外標準化多星分配器，解決百顆納衛星與火箭的接口適配難題，同時還提升了上面級星箭分離和調姿控制能力，確保每顆衛星獨立分離、有序入軌，標志著印度在多衛星集成、星箭分離等關鍵技術方面已逐漸成熟。“極軌衛星運載火箭”系列火箭經過多次改進，可靠性不斷提高，發射成功率達94.74%，發射頻率也逐年增加，2016年達到6次。但“極軌衛星運載火箭”運載能力較低，主要執行太陽同步軌道多星發射任務，發射的載荷約90%是質量低于100kg的微衛星和納衛星，無法執行大中型衛星的地球同步轉移軌道多星發射。同時“極軌衛星運載火箭”上面級采用有毒常溫推進劑，推力小、在軌時間短、推進劑管理水平低，而美、俄、歐、日的先進上面級多已采用液氫/液氧低溫無毒推進劑，在軌時間最長可達數十天、可多次高精度變軌，印度與其相比仍有較大技術差距。

印度航天運載能力偏低，有望年內實現提升

印度目前運載能力最大的在役火箭是“地球同步衛星運載火箭”（GSLV），其近地軌道運載能力5t、地球同步轉移軌道運載能力2.5t，遠低于主要航天國家20噸級近地軌道運載能力，且可靠性較低，發射成功率僅50%。為提升運載能力，滿足未來衛星發射、載人航天、深空探測等需求，印度開始研制新一代兩級構型地球同步衛星運載火箭-MK3，目標是使近地軌道和地球同步轉移軌道運載能力分別達到8t和4t，已于2014年成功進行首次亞軌道飛行試驗。上面級只搭載模擬發動機，主要驗證了火箭第一級和兩枚捆綁的大型固體助推器性能。其中固體助推器海平面推力達5996kN，僅次于美國航天飛機固體助推器（SRB）和歐洲阿里安-5（Ariane-5）固體助推器，成為世界第三。同時，印度已具備獨立研制液氧/液氫低溫上面級發動機的能力，新一代推力達200kN的上面級C25于2017年2月完成持續點火試驗，滿足所有飛行性能指標，實現研制里程碑。裝有此上面級的地球同步衛星運載火箭-Mk3有望在2017年中發射，將大幅提升印度航天運載能力。

3 結語

小衛星搭載發射將成為發展趨勢，印度借助成熟技術已搶占先機

傳統火箭單星發射時，搭載的衛星質量不會與火箭運載能力完全一致，造成運載能力極大浪費。采用“一箭多星”方式可根據火箭剩余運載能力合理選擇搭載對象，增加衛星發射機會，實現衛星星座快速組網，提高火箭自身效益，降低單顆衛星發射成本。近年來隨著微納衛星發射需求的不斷增長，各國相繼利用大中型火箭開展多星發射業務，2016年達到20次（不包括空間站釋放多星），占年發射次數23.5%，將113顆各類衛星送入軌道。印度利用“極軌衛星運載火箭”低價格、高可靠、可“一箭多星”發射的特點，快速拓展微納衛星商業發射市場業務，至今已為美國、德國、法國等23個國家發射了180顆衛星（包括此次101顆），并計劃在2020年將“極軌衛星運載火箭”業務移交給商業公司，提高火箭發射頻率，有望進一步提升商業衛星發射市場份額。

印度持續加大航天領域投入，在多個領域取得較大進展

近年來，印度逐步邁入世界深空探測技術先進國家行列，已于2014年成功將火星探測器送入火星軌道，成為繼美、俄、歐之后全球第4個成功實現火星探測的國家/地區，還計劃于2018年一次性實施月船-2（Chandrayaan-2）“繞、落、巡”月球探測任務。印度應用衛星體系也不斷完善，建成了由7顆衛星組成的“印度區域導航衛星系統”（IRNSS），具備自主區域衛星導航能力；印度目前在軌遙感衛星共計18顆，“制圖衛星”、“雷達成像衛星”分別提供優于1m分辨率的光學和雷達圖像，本次發射的制圖衛星-2D分辨率已達0.65m，印度還計劃2018年部署分辨率為0.25m的新一代“制圖衛星”，有望達到世界先進水平。

印度從國際合作走向自力更生，標志著其航天工業整體能力水平正在提升

印度在發展航天的道路上，采取引進、改造和自行研制相結合的方式，利用其不結盟的國際地位與特殊的地理位置，較中國等國家更容易取得國際支持，實現了投資少、起點高、見效快的發展特點。同時印度也高度重視“獨立自主”航天能力，在關鍵技術上努力實現進口替代，整體航天能力水平提升已初見成效，有望在商業航天領域具備較強競爭力。

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