一網衛星發射緣何選擇印度火箭

文/張晨

近日 一網公司和NSIL（新航天印度有限公司）簽訂了意向書，最早從2022 年起，使用印度極地軌道衛星運載火箭（PSLV）和第三代地球同步衛星運載火箭”（GSLV Mk.3）為“一網”發射衛星。

▲ 一網衛星

低地球軌道衛星碎片布撒者

作為目前和龐大的美國低軌衛星星座“星鏈”同時建設的另一個低軌道互聯網星座，一網公司的衛星相對較少，其一期只設648 顆衛星——這也讓其比“星鏈”星座的42000 顆衛星的爭議少了許多。其一期工程一度打算部署數千顆衛星，但最后削減至648 顆，工作于12 個軌道面，每軌設49 顆業務衛星及5 顆備用衛星。

一網公司是一家成立于2012年的全球衛星通信公司，其前身為WorldVu 衛星有限公司，致力于在全球范圍內提供寬帶衛星互聯網服務。該公司總部位于英國倫敦，在美國加利福尼亞州設有辦事處并在佛羅里達州設有衛星制造工廠。

一網公司在2015 年6 月向阿里安航天公司簽訂了21 發聯盟號運載火箭的合同，包括聯盟2.1b-弗雷蓋特M 運載火箭和聯盟ST-B 弗雷蓋特-MT 運載火箭。這些火箭在法國的庫魯航天中心、哈薩克斯坦的拜科努爾發射場、以及俄羅斯的東方發射場發射?！奥撁颂枴痹趲祠敽桶菘婆瑺柊l射場發射時設34 顆衛星，而在東方發射場發射時設36 顆。聯盟號火箭將把衛星部署進入一條450 千米的軌道，隨后衛星自行使用電推力器爬升至1200 千米軌道。同時一網公司向維珍軌道公司簽訂了39 次使用運載器一號小型空射運載火箭的單星發射。

最初一網公司也考慮過使用阿里安航天公司的阿里安6-2 火箭和藍色起源公司的新格倫火箭的發射服務，但最后都未施行。

2017 年的時候，一網公司宣布第一期648 顆衛星的大部分容量已被出售，并且規劃建設第二期星座。一網星座二期曾計劃設置47844 顆衛星，包括在40 度傾角和55 度傾角各設36個軌道面，部署兩個23040 顆衛星的網絡，在87.9 度傾角軌道再部署36個軌道面總計1764 顆。但在2021 年1 月12 日，“一網”請求將兩個低傾角星座的衛星數削減90%，星座方案變更為均運行于1200 千米軌道的6372 顆星。一網公司在文件中表示：“一網預計其第二階段星座的這一修訂部署計劃將使其能夠實現更高的最終用戶吞吐量和頻譜效率，同時降低資金需求，培養一網的‘負責任的空間’愿景?！?/p>

▲ 一網衛星終端

2019 年2 月27 日，聯盟ST-B弗雷蓋特MT 火箭發射了6 顆試驗星，第一批一網星座的業務衛星則在2020年2 月發射升空。但由于新型冠狀病毒肺炎爆發等原因，在未能籌集到必要的資金來完成剩余90%衛星的建造和部署后，該公司于2020 年3 月進入破產程序。同年11 月，一網公司從破產程序和重組中脫離，成立了一個新的所有權集團，由英國政府和印度跨國公司巴蒂全球領導，二方各控股42%。

▲ 在東方發射場發射36 顆一網衛星的聯盟-2.1b-弗雷蓋特 M 火箭

截至目前，一網星座已經完成組網352 顆（不包括6 顆試驗星），預計2022 年完成第一批衛星的組網。

而在減少失控衛星造成的空間碎片方面，若衛星功能喪失但仍然可控，衛星會使用其電推進器降低軌道以滿足美國宇航局的25 年離軌指標。但對于徹底損壞的衛星，由于一網衛星運行于極高的1200 千米繞地軌道，相比于美國宇航局提出的25 年內自然離軌指標，一網衛星完全不可能通過大氣阻力完成離軌。這樣一來，星鏈衛星較低的運行軌道在這方面倒是一大優勢。一網公司給出的應對策略為每顆衛星攜帶激光雷達靶標和Altius DogTag 磁力抓取裝置，若衛星失控，則可由第三方航天器對接并離軌，就是不知道一網公司肯不肯出這筆錢了。在諸多措施能夠施行的情況下，一網衛星成為碎片來源的風險被確定為＜0.01，這符合美國宇航局的技術標準。

▲ 一網衛星的背面，注意其激光雷達靶標和電推

PSLV：印度人真正的新起點

印度在完成了ASLV（加大推力運載火箭）的研制后，啟動了名為PSLV（極地衛星運載火箭）的研制。PSLV主要用于發射太陽同步軌道衛星，也具備高軌道任務的發射能力，但運載能力相對較弱。

印度從1978 年就開始謀劃發射太陽同步軌道衛星，因為一般的地球遙感衛星都運行于該軌道。換句話說只有掌握了太陽同步軌道發射能力，航天產業才能真正發展起來。雖然ASLV是“加大推力”，但其近地軌道運載能力也只有150 千克。

而PSLV 則不同，它采用了一個很復雜的四級半構型設計。其第一級使用了巨大的S-139固體火箭發動機，最大真空推力495 噸，采用5 段式的設計，幾乎達到當時印度人設計固體火箭發動機能力的極限，這是缺乏高性能液體火箭發動機的無奈之舉。第二級使用1 臺繼承自阿里安火箭維京發動機的維卡斯發動機，使用偏二甲基肼-四氧化二氮推進劑。一般來說，好鋼用在刀刃上，三級的性能要求更高，但是印度人居然又使用了固體發動機。7.6 噸的固體三級燃燒83 秒，隨后使用一甲基肼燃料的第四級火箭會完成最后入軌。

PSLV 可以不安裝助推器，即PSLV-CA 光桿構型。這個時候可能會發現火箭上的4 個“小助推”（CA構型是4 個，其余是2 個），其實是用于驅動固體火箭推力偏轉和控制滾轉的控制器，PSLV-CA 具備1.1 噸的622 千米太陽同步軌道運載能力。捆綁6 個S-9 固體助推的為標準型PSLV-G，622 千米太陽同步軌道運載能力為1.6 噸。使用加長S-12 助推器的為加強型PSLV-XL，622 千米太陽同步軌道運載能力為1.8 噸。后來印度人又研制了2 個助推的PSLV-DL和4 個助推的PSLV-QL 型，形成了運力梯度。

▲ S-139 固體火箭分段吊裝

PSLV 運載火箭高44 米，芯級直徑2.8 米，火箭起飛質量為320 噸（PSLV-XL），PSLV 也具備將1.3 噸載荷發送往地球靜止轉移軌道的能力。所以PSLV 火箭也發射過一些高軌道衛星，如印度區域導航衛星系統和曼加里安號火星探測器。

值得注意的一件事是，因為斯里哈里科塔的太陽同步軌道射向剛好被斯里蘭卡所阻擋，所以PSLV 火箭需要先向東飛行，隨后轉彎向西南入軌，這在一定程度上損失了運載能力。如果不做這次偏航機動，PSLV-G 可以將1.6 噸載荷直接送入900 千米高的太陽同步軌道。

PSLV 火箭雖然性能不算先進，但是印度人的商業報價極低——平均一發不到3000 萬美元的商業報價使得很多小型衛星選擇其作為搭車的運載器。所以印度人經常會“撒土豆”，賺錢嘛，不寒磣。

GSLV Mk3——大國“重”器

作為印度下一代大推力運載火箭承上啟下之作，GSLV Mk.3（第三代地球同步衛星運載火箭）運載火箭使用了全新的4 米芯級。全箭包括3 種模塊：作為實際起飛級的S-200 固體火箭發動機模塊，捆綁在高空點火的芯一級模塊上；使用2 臺維卡斯-1B偏二甲基肼-四氧化二氮火箭發動機的一級；使用1 臺CE-20 液態氫-液態氧火箭發動機的二級?；鸺痫w質量為640 噸，可將4 噸載荷送入地球靜止轉移軌道，或將10 噸載荷送入低地球軌道。

雖然這枚火箭將托起印度人的登月夢和載人航天夢，但GSLV Mk.3 火箭的運載效率實在低得驚人。很明顯，印度是想學美國的大力神3 系列運載火箭，使用2 枚固體火箭起飛，高空點燃常溫燃料的第一級火箭，并且使用氫氧末級完成入軌。

S-200 的性能實在并不好看，主要是因為其鋼制的沉重殼體，其0.868的裝藥比甚至不如塞了一堆降落傘的航天飛機助推器——后者的裝藥比為0.881。其燃料效率也很低，海平面比沖比世界主流水平低10%以上。

二級使用的CE-20 液氫液氧火箭發動機雖然推力不錯，但其比沖并不算優秀，況且不具備多次啟動能力，導致印度無法沿著正東向最大化地球自轉加速度而發射運載火箭，這極大的限制了其特殊軌道發射的能力。對于深空任務，在某些窗口需求下是完全無法發射的。

如果要一個對比的話，同為4 噸級靜止轉移軌道運載能力，運載能力4.23 噸的德爾它4M 型起飛質量僅為256 噸；而同為固推起飛+常溫級高空點火，相同的起飛質量下，美國的大力神3E 型具備7 噸發送往地球同步轉移軌道的運載能力，但是GSLV Mk.3 型只有4 噸。雖然它相對于印度以前的火箭來說是一個重大進步。

未來，印度打算對該火箭進行減重，將其運載能力提升至4.4 噸；隨后一級換裝1 臺200 噸的SCE-200液氧/煤油分級燃燒火箭發動機，運載能力提升至5 噸；將二級加大后運載能力能達到5.8 噸；對S-200 進行改進后，該型號的終極運載能力可以達到6.2 噸。

GSLV-Mk.3 火箭目前完成3 次軌道級發射（D1,D2,M1)，均獲得成功，包括印度的月船2 號登月航天器。未來該火箭還將發射月船3 號，及“天船”載人飛船。

疫情中的印度航天

在2020 年之前，印度的航天似乎真有一種快步發展的勢頭。PSLV 火箭和GSLV 火箭連續成功，登月、探火、載人航天、空間站、靜止軌道光學遙感衛星、大推力氫氧發動機、分級燃燒液氧煤油火箭發動機等計劃或者開始實施，或者準備實施，似乎真有一種大國崛起的感覺。但就在2020 年，新型冠狀肺炎病毒肆虐全球，印度的航天停滯了。

▲ 發射EOS-01 的PSLV 運載火箭吊裝S-12 助推器

▲ 運載器組裝大樓中的PSLV-XL C47 運載火箭

▲ 一個廠房中的S-200 分段

▲ 用于“天船”載人飛船用L110 級維卡斯-1B發動機驗證點火

▲ GSLV Mk.3 火箭發射升空

▲ 亞軌道試飛的GSLV Mk.3 運載火箭

2020 年，印度的航天發射僅有2次，2021 年也是2 次，且其中1 次并未獲得成功。而更加離譜的是，由于印度的復雜社會環境和落后的基礎設施建設，導致患者需要但又無法獲得大量的液態氧。于是航天中心的液氧被用去治療重癥病人，某種意義上來說，印度的航天發射被疫情所中止。“月船3 號”和“天船1 號”試飛均被多次推遲，目前均不早于2022 年。SSLV 小型運載火箭的研制也是一波三折。而發射EOS-06 光學遙感衛星的PSLV 火箭自2021 年09 月11 日進場以來已超過40 天，仍未發射。GSLV Mk.3 火箭的總裝更是超過兩個月，進展極為緩慢，如果印度不能徹底消除新型冠狀肺炎病毒的影響，由于疫情而導致的如此緩慢的發射速度，是完全無法單獨完成一個巨型低軌道星群建設的。

因此，以目前印度的航天發射能力，是否有替代“聯盟號”，單獨執行組建大規模低地球軌道衛星星座的能力，是值得懷疑的。對于載荷運載能力來說，考慮到一網衛星一顆重150 千克，初始軌道為450 千克高度，傾角86.40°，PSLV-XL 火箭向該軌道可以一次發射14 顆以上，而GSLV Mk.3 可以投射接近50 顆。但GSLV Mk.3 火箭目前產量較低，印度人能否在嚴重的疫情影響下大規模發射GSLV Mk.3 火箭還是一個問題。使用PSLV 火箭的可能性較大，但一次性投射14～16 顆衛星的運載能力，同樣無法擔當快速組網的主力任務——發射6372 顆衛星，如全部使用PSLV 火箭，需要超過450 次。

▲ GSLV Mk.3 D2 火箭

目前尚不清楚一網公司打算選擇印度運載火箭發射衛星是否和其股東“巴蒂全球”有關，還是看上了印度火箭的廉價優勢。但無論怎么說，一網公司選擇PSLV 和GSLV Mk.3 的發射并不像是將組網重心轉給印度，更可能只是一種加速二代星座組網的方法。

反正這次只是簽訂了意向書，而非實際合同。印度人甚至沒有過建設中型星座（如一個全球導航衛星系統）的經驗，貿然參與大規模低軌道衛星網絡建設，其中風險不小。

建造低軌道衛星星群的需求

順便提幾句，大規模建設低軌道衛星網絡需求就一個字——快。因為小型低軌道衛星壽命有限，如果極其緩慢地進行發射，那么等最后的衛星上去后，前面的早就壞了或者再入了。因此在大規模建設低軌道衛星網的時候，要容忍失敗——打幾百、上千顆衛星總會出點啥問題，如果一兩顆衛星出現問題，就把后續所有衛星發射全部叫停，處理故障幾個月，那永遠造不出大規模的低軌道星座。

其次，要將發射掌握在星座建設者的手里。比如太空探索技術公司發射“星鏈”，用的就是自家的獵鷹9火箭。將運載器掌握在自己手里的好處就是可以快速迭代、快速歸零。當然多種運載器進行發射互相備份也是一種思路，如果將二者結合，那會是很好的組網利器。大規模低軌道衛星網絡建設是極其考驗發射和運作方的管理能力的，因此在某些程度上需要跳出常規思維。

為提升發射效率，對衛星的設計也需要跳出常規。最好的例子就是類似太空探索技術公司的堆疊衛星設計，現在也有一些變形堆疊，甚至“餅”式衛星。低軌道衛星需要最大限度利用整流罩空間，甚至中央承力筒也不需要，這樣可以更快地加速組網。除此之外，類似太空探索技術公司使用的商業元器件、氪離子電推等，新的低軌道衛星網都可以嘗試。

▲ 一種“碟”形衛星構型