火箭末級搭載：小型載荷進入太空的新途徑

尚輝 孟翔 李同玉 焦君 張群（中國運載火箭技術研究院）

小衛星已成為國內外商業航天的一大熱點，擬進入太空的小衛星逐年增多，但由于目前發射渠道較少，又受任務運載能力、目標軌道、履約周期等制約，可用機會較少，且價格昂貴，進入太空絕非易事。另一方面，有很多小衛星的任務在于完成星上小型試驗載荷的空間試驗驗證等目的，進入太空即可實現其主要目的，而這些試驗載荷本身對軌道、朝向等要求并不高。

針對以上情況，中國運載火箭技術研究院提出了“火箭末級搭載”業務模式。即將上述載荷及其配套組件（下文統稱“末級搭載載荷”）直接安裝在運載火箭末級（含上面級）上，在火箭執行發射任務期間，隨火箭一起進入太空，在火箭主任務完成后，搭載載荷隨火箭末級在太空漂移期間，完成其試驗驗證等任務。火箭末級搭載作為一種新型發射服務業務模式，為小型載荷進入太空開辟了一條新的途徑。

1 火箭末級搭載的優勢

據調查分析，相當一部分小衛星項目，其核心目的在于將試/實驗載荷送入太空。而這些試/實驗載荷全系統總質量僅為幾百克到幾千克，相當于火箭上一臺系統單機的質量，增加這一質量對火箭的運載能力影響很小。而這類試/實驗載荷需要的往往是最基本的發射服務——“進入太空”，即在太空完成試驗驗證或實驗，并將數據傳回地面。這類任務包括：元器件在軌試驗或驗證、微重力實驗、生物的太空輻照培養實驗等。

對這類試/實驗載荷來說，相較于安裝在小衛星上再由火箭發射，將其及配套系統直接安裝在火箭末級會更加直接便捷，且分享和復用了火箭的結構，減輕了一部分發射質量，降低了發射成本。此外，由于不要求分離，小載荷搭載的安裝方式相對簡單，一般只需安裝在火箭末級受整流罩保護區域上的合適位置，簡單的安裝接口可進一步降低發射成本。

航天運輸系統和發射服務的理念是：每個進入太空的機會都是一種資源，而發射服務本身即是創造和利用這種資源的過程。小衛星搭載等業務模式是對主任務中剩余資源的利用，而火箭末級搭載模式是對這種資源的進一步利用。同時，與將小衛星送入太空并實現分離的發射任務相比，火箭末級搭載還可以減少太空垃圾，讓更多小型載荷與火箭末級捆綁在一起，可減少空間物體的數量，方便后續空間碎片的跟蹤、規避與處置。

2 典型案例

盧森堡-4M探月載荷火箭末級搭載項目

2014年10月24日，長征三號乙火箭完成中國探月工程三期再入返回飛行試驗發射任務的同時，還有一個名為盧森堡-4M的探月小型載荷隨著火箭三子級一起進入地月轉移軌道，并完成了繞月飛行。該末級載荷由歐洲OHB集團下屬盧森堡空間公司研制，額定任務期為196h，主要科學目的是在繞月飛行過程中完成長效電池性能驗證試驗、輻照計部件測試等。根據給定的發射計劃、經費預算及火箭搭載空間，中國運載火箭技術研究院為用戶設計了火箭末級搭載方案：在火箭第三級頂部主有效載荷下方的火箭儀器艙支架板上安排了一個搭載空間。這個小型載荷進入太空后，按計劃在軌開機，并以業余無線電頻段回傳信號，信號內容包括時間、電源電壓、電流、溫度、軌道輻照值等參數，來自世界五大洲幾十個國家的60多個業余無線電愛好者和組織接收到信號。盧森堡-4M完成了地月往返環繞飛行，于2014年11月11日發送了最后一幀信號后進入靜默，圓滿完成了各項試驗任務。全球首個探月商業搭載發射服務項目圓滿完成。

豐臺少年一號和科創KS-1Q火箭末級搭載項目

2016年11月10日，長征十一號Y2運載火箭發射成功，完成了“一箭五星”的衛星發射。同時，另外兩個載荷——豐臺少年一號和深圳科創航天公司的KS-1Q，也以火箭末級搭載的形式隨運載火箭末級進入太空。兩個小型載荷均順利完成在軌工作，再次證明了火箭末級搭載模式的有效性。

3 未來發展方向

衛星與火箭分離后、與地面建立聯系前的這段時間是風險期。通常，此時衛星的主要功能尚未啟動、測控尚未捕獲、姿態仍未獲得，有些衛星的太陽帆板沒有打開……需要一段時間的一系列調整。小衛星和末級搭載載荷因為體積小，地面更加難以捕捉和跟蹤，面臨的風險更大。

未來，在開展末級搭載服務的同時，將嘗試開展由火箭末級提供的稱為“早期看護”的服務。剛剛分離的火箭末級還保持著與地面通信并回傳位置信息的能力，加上末級本身較大的體積，更有利于地面跟蹤，搭載在其上的小型載荷也能夠一并跟蹤。如需要，還可以改進末級，使之能夠在入軌早期轉發小型載荷的狀態信息。

另外，如任務允許，火箭末級可利用剩余推進劑完成一定的軌道機動，提供更有利于小型載荷的軌道和姿態。此外，隨著市場需求的牽引和技術升級，火箭末級還可提供升級的服務，如安裝太陽能電池、天線等，為載荷提供供電、通信等服務。

此外，在部分發射任務中，火箭末級能夠進入軌道理論壽命極長的中高軌道，這類任務的火箭末級還可以作為將紀念物在宇宙空間長期留存的平臺。

4 結束語

“十三五”期間，我國“長征”系列火箭將迎來新一輪高密度發射期，僅中國運載火箭技術研究院抓總的“長征”火箭型號就將有數十次發射，其任務目標軌道涵蓋中、高、低各類軌道，可為開展火箭末級搭載業務創造豐富的機會。

火箭末級搭載模式為商業小型載荷進入太空提供了低成本和快捷的渠道。其也成為航天商業發射服務的一種新模式，為客戶提供了一種新的選擇。

在經過兩次發射、三組載荷的項目經驗積累之后，作為進入太空、利用太空的新途徑，火箭末級搭載已經穩步走向成熟。今后這一新興模式將進一步向市場推廣，通過這一新渠道，讓“長征”火箭為航天產業發展提供更大的支持。