太空里的“天女散花”

張乃千+楊詩杰

不久前，印度通過一枚火箭將104顆衛(wèi)星發(fā)射升空，雖然這些衛(wèi)星多為技術(shù)門檻低、研制時(shí)間短的微小衛(wèi)星，但一定程度上反映了航天衛(wèi)星小型化、集成化的發(fā)展趨勢。一箭多星順應(yīng)了這種趨勢，具有充分利用火箭運(yùn)載能力、降低衛(wèi)星發(fā)射成本等優(yōu)勢。事實(shí)上，一箭多星發(fā)射技術(shù)角逐的主角始終是美俄兩個(gè)航天大國，他們在一箭多星上長期較勁，就是互秀各自的分導(dǎo)式彈頭技術(shù)，而這恰恰是突破彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

“一箭多星”備受航天界青睞

纖云弄巧，銀漢迢迢。人類送到太空的第一名“旅客”，當(dāng)屬蘇聯(lián)1957年10月4日發(fā)射升空的第一顆人造衛(wèi)星“斯普特尼克”。不甘落后的美國迅速發(fā)力，于1960年首次實(shí)現(xiàn)一枚火箭發(fā)射兩顆衛(wèi)星，開啟一箭多星的航天新時(shí)代。

此后，人類圍繞一枚火箭究竟可以同時(shí)發(fā)射多少顆衛(wèi)星的較量一發(fā)而不可收。嘗到了一箭多星發(fā)射“甜頭”的美國于1961年成功實(shí)現(xiàn)“一箭3星”發(fā)射。隨后，蘇聯(lián)也多次使用一枚火箭成功發(fā)射8顆衛(wèi)星，一箭多星開始駛?cè)霐?shù)量井噴時(shí)代。2013年11月19日，美國軌道科學(xué)公司“彌諾陶洛斯”火箭創(chuàng)紀(jì)錄地同時(shí)將29顆衛(wèi)星送入地球軌道。僅僅兩天之后，俄羅斯就使用一枚“第聶伯”運(yùn)載火箭將32顆微型衛(wèi)星送入太空。

除美俄兩位航天界“大咖”外，歐洲航天局、日本和印度等也相繼掌握了一箭多星發(fā)射技術(shù)。我國于1981年9月成功運(yùn)用一枚“風(fēng)暴一號”火箭實(shí)現(xiàn)“一箭3星”發(fā)射，一口氣將一組3顆“實(shí)踐”二號衛(wèi)星送入地球軌道，成為第四個(gè)獨(dú)立掌握一箭多星發(fā)射技術(shù)的國家。隨后，“長征”系列運(yùn)載火箭逐步實(shí)現(xiàn)開展一箭多星發(fā)射任務(wù)的常態(tài)化運(yùn)作。2013年，我國成功將“高分一號”對地觀測衛(wèi)星和其他3顆衛(wèi)星分別送入不同軌道。2015年9月20日由長征6號運(yùn)載火箭成功發(fā)射的“一箭20星”，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)的亞洲紀(jì)錄，充分展現(xiàn)了我國在一箭多星發(fā)射領(lǐng)域的實(shí)力。

此次印度發(fā)射升空的104顆衛(wèi)星，打破了由俄羅斯于2014年創(chuàng)下的“一箭37星”世界紀(jì)錄，直接將一箭多星的“多”提升到數(shù)量上的“百”時(shí)代。

事實(shí)上，這已經(jīng)不是印度第一次試水一箭多星。懷揣航天大國夢想的印度于2007年實(shí)現(xiàn)“一箭4星”發(fā)射，并于2008年率先突破個(gè)位數(shù)紀(jì)錄，實(shí)現(xiàn)“一箭10星”發(fā)射。2016年6月，印度將20顆衛(wèi)星一箭送入太空軌道。

“天女散花”其實(shí)并不容易

在此之前，我國自主研制的首枚固體運(yùn)載火箭長征十一號，曾搭載4顆衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)固體運(yùn)載火箭的一箭多星發(fā)射，標(biāo)志著衛(wèi)星發(fā)射進(jìn)入數(shù)量大、時(shí)間短的“快遞”時(shí)代。雖說一箭多星可充分“榨干”火箭的運(yùn)載能力，為衛(wèi)星發(fā)射服務(wù)提供多種選擇模式，但并不意味著這種發(fā)射方式技術(shù)難度就低。要想實(shí)現(xiàn)太空“散花”，還真得下一番苦功夫。

目前，國際通用的一箭多星發(fā)射方式主要分為兩大類。一種是“單次多放”，即把幾顆衛(wèi)星一次送入一個(gè)相同或幾乎相同的軌道上去。另一種則是“多次單放”，即分批分次釋放衛(wèi)星，把衛(wèi)星“挨家挨戶”地送到它們的太空“新住處”。要想實(shí)現(xiàn)第二種精確化投送，就需要運(yùn)載火箭在達(dá)到某一預(yù)定軌道速度后擇機(jī)釋放第一顆衛(wèi)星，之后繼續(xù)飛行，在達(dá)到下一個(gè)預(yù)定軌道速度時(shí)繼續(xù)釋放，直到把每一顆衛(wèi)星都釋放到相應(yīng)軌道上。這兩類發(fā)射方式，實(shí)現(xiàn)難度上也是天壤之別。

“天女散花”實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，就是如何解決“星箭分離”瞬間大量衛(wèi)星釋放時(shí)的碰撞問題。尤其是在火箭飛行的最后階段，衛(wèi)星如何按照預(yù)定設(shè)計(jì)程序從衛(wèi)星“座艙”中順利“出艙”且不能相互擦碰，這就必須為每一顆衛(wèi)星量身定做最佳的飛行路線和最佳分離時(shí)刻，才能真正實(shí)現(xiàn)多顆衛(wèi)星的“各行其道”。更何況，一枚火箭同時(shí)裝載多顆衛(wèi)星，會對火箭的結(jié)構(gòu)角度和重心分布帶來改變，每一顆衛(wèi)星出艙瞬間如何保證火箭飛行穩(wěn)定，避免衛(wèi)星內(nèi)部電子設(shè)備產(chǎn)生無線電干擾都是擺在技術(shù)人員面前的重要問題。從技術(shù)角度上講，一枚火箭發(fā)射多種不同軌道的衛(wèi)星難度更高、技術(shù)更復(fù)雜。

要想實(shí)現(xiàn)一箭多星發(fā)射，首先對運(yùn)載火箭提出了較高要求。運(yùn)載火箭必須“身強(qiáng)體壯”到可以把數(shù)顆衛(wèi)星送入軌道。同時(shí)，為了將多顆衛(wèi)星分別送入不同參數(shù)的太空軌道，通常還要為他們量身定制專門的衛(wèi)星分配器。我國在完成“一箭20星”發(fā)射任務(wù)中，就將20顆衛(wèi)星分成3層像金字塔般排列，并采用了主星抱子星的裝配方式。此外，衛(wèi)星平臺與載荷的微小型化和標(biāo)準(zhǔn)化也是一箭多星發(fā)射的核心技術(shù)之一。尤其是在微小型衛(wèi)星搭載任務(wù)中，主載荷完成布置后，留給微小型衛(wèi)星的空間和重量非常有限，如何充分利用一箭多星剩余的發(fā)射能力，值得我們深入思考。

“小馬拉大車”成就飛天夢想

此次印度發(fā)射升空的104顆衛(wèi)星中，有88顆衛(wèi)星來自美國的一家地球圖像公司。而這88顆昵稱為“鴿子”的衛(wèi)星互為“孿生兄弟”，每顆僅重5千克。目前，隨著衛(wèi)星技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了一大批重量在1噸乃至500千克以下“身材瘦小”的衛(wèi)星，甚至小于100千克的衛(wèi)星也屢見不鮮。對于這些小型載荷、單獨(dú)發(fā)射成本過高、能有效分?jǐn)偘l(fā)射成本的一箭多星掃清了微小衛(wèi)星應(yīng)用的最后一道障礙。

在世界各航天大國爭相分搶航天發(fā)射“蛋糕”的大背景下，一箭多星無疑具有巨大的市場應(yīng)用前景。每次發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)量越多，單顆衛(wèi)星的花費(fèi)就有可能越低，如果有批量化的衛(wèi)星發(fā)射訂單，衛(wèi)星進(jìn)入太空軌道的“快遞費(fèi)”甚至?xí)汀ｋS著空間應(yīng)用和太空民用需求的不斷拓展，發(fā)射能力強(qiáng)、效率高、成本低的一箭多星將創(chuàng)造“小馬拉大車”的極限飛天新局面，成為全球商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射的“明日之星”。

當(dāng)然，一箭多星技術(shù)自誕生之日起，就不是單純的航天科技。冷戰(zhàn)時(shí)期，美蘇兩國之所以在一箭多星發(fā)射領(lǐng)域相互角力，不斷刷新衛(wèi)星同時(shí)發(fā)射數(shù)量紀(jì)錄和多軌道釋放能力，其實(shí)就是在向?qū)Ψ届乓鋸椀缹?dǎo)彈多彈頭分導(dǎo)技術(shù)的最新成果。運(yùn)載火箭與彈道導(dǎo)彈堪稱一體雙生，美國發(fā)射“一箭29星”所用的“彌諾陶洛斯”火箭最早就由“和平衛(wèi)士”洲際導(dǎo)彈發(fā)展而來。無獨(dú)有偶，俄羅斯發(fā)射衛(wèi)星所用的“第聶伯”運(yùn)載火箭，其實(shí)也是RS-20“撒旦”洲際導(dǎo)彈的衍生品。