小卫星发射的短板

+ 张雪松/squirrel

小卫星发射的短板

+ 张雪松/squirrel

小卫星的研制如火如荼，小卫星商业化的大潮也扑面而来，而现有运载火箭性能的不足却构成了小卫星产业的短板，降低了小卫星产业的发展速度。未来巨大市场的次级，推动和催生了小卫星发射火箭的发展，现在一大批小卫星运载火箭即将面世。

小卫星的复兴

按照传统看法，小卫星是指质量小于1吨的卫星，但现代小卫星一般指500千克以下的卫星，尤其是着重指100千克以下的微小卫星和更小的纳卫星皮卫星。小卫星并非现代卫星技术发展的产物，人类航天时代早期发射的卫星，基本都是小卫星，但现代小卫星并非早期小卫星的简单回归，而是螺旋式上升发展的产物，在技术和性能上都有了质的飞跃。

现代小卫星领域的复兴，关键在于两个方面：一个是现代技术发展的支撑，另一个是现实社会的需求。随着微电子技术和微机电技术的进步，传统卫星上笨重的遥测通信、数据存储和处理、姿轨控等诸多子系统都得到了简化和轻量化，民用微电子和微机电产业的发展，还产生了大量接近宇航级的高质量民用元器件，美国等国家甚至计划研制手机卫星，就是这一趋势的典型代表。先进电子和机电技术的发展，为小卫星的蓬勃发展提供了可能。现实的军用和民用需求，同样推动了小卫星的发展。传统卫星设计上，倾向于卫星做大功能做强寿命做长，在性能优先的原则下最大限度的提高卫星的性能，但这一趋势在冷战时期已经走到了尽头，大型卫星领域出现了研制周期越来越长，研制费用越来越高，发射和运营风险越来越大，以及卫星尚未上天技术就过时的尴尬局面。小卫星与大型卫星相比，同等技术水平下具有研制周期短、发射准备时间短和研制生产运营成本低的优势，还可以通过组网运行和快速补网提高小卫星星座的整体性能和健壮性。在军用航天领域，面对各种反卫星软硬杀伤武器的威胁，小卫星的这些优势尤为突出；在民用航天领域，小卫星也为那些财力和研发能力有限的国家地区和机构，打开了进入太空大门的钥匙。当今世界上只有十余个国家具备航天发射能力，其中具备多种轨道多种重量级别的完整发射能力的国家更是少之又少，如果没有小卫星的复兴，像英国萨里公司那样航天公司是难以想象的。

简而言之，现代小卫星建立在更先进的技术之上，技术和功能密集程度有了巨大的提高，并促进了航天领域的深刻变革，满足了现代航天产业对卫星“多快好省”的需求。随着技术的发展和投资的增加，各国商业航天公司在小卫星领域不断推出新的计划：美国的天体成像公司计划发射24颗亚米级分辨率、质量小于100千克的小卫星，组建一个覆盖全球并提供高时间分辨率的天基成像系统；美国的轨道通讯公司建立了低轨道通信星座，并正在计划发射了由18颗新一代卫星构成的第二代低轨道通信星座OG2；铱星公司也正在研制和部署第二代铱星系统Iridium Next，它将由66颗低轨道通信卫星组成；太空探索技术公司也组建了卫星部门，计划建立由4000颗低轨道卫星组成的全球高速通讯网络；我国的吉林一号卫星由4颗卫星组成，长光卫星技术有限公司未来计划到2020年组成60颗在轨卫星的星座，到2030年138颗卫星在轨，对全球任意地点的重访周期缩短到10分钟。

现有发射方式

航小卫星可以选择作为运载火箭的主载荷发射，也可作为次级载荷搭载发射，其中次级载荷的发射方式逐渐占据了主流。小卫星传统采用搭载的发射方式并非偶然。小卫星虽然具有研制生产成本低等优势，但同时也意味着它的价格不高，面对寥寥无几的发射工具和高高在上的发射报价，主流运载火箭专门发射小卫星的可能性不大，而小卫星作为次级载荷搭载发射，缓解了小卫星成本低和发射价格高的矛盾。小型运载火箭也是发射小卫星的一个选择，但小型运载火箭可供选择的范围很小。

2003年10月21日，长征四号火箭将中科院研制的“创新一号”小卫星和中巴联合研制的“资源一号”卫星送入太空，其中“资源一号”卫星是一颗两吨级别的大卫星，而“创新一号”卫星体重不到100千克，作为它的次级载荷搭载发射；我国的第一颗科普和公益卫星“希望一号”，于2009年12月15日作为“遥感卫星八号”的次级载荷搭载发射；浙江大学研制的“皮星一号A”卫星，则是2010年9月22日随着“遥感卫星十一号”一块进入太空。毫无疑问，中国科协或是业余无线电爱好者很难支付单独发射“希望一号”的发射成本，浙江大学要支持“皮星一号A”的研制尚且做出了很大努力，要订购一枚运载火箭发射两颗“皮星一号A”，无异于天方夜谭。即使是最财大气粗的中科院，要为一颗不到100千克的试验卫星订购一枚长征火箭，也未免过于奢侈。

我国的小卫星如此，其他国家也不例外。美国运载火箭发射时也经常会搭载一些小卫星：联合发射联盟2013年12月5日使用宇宙神-5火箭发射NROL-39卫星时，搭载发射了12颗立方体纳卫星；太空探索技术公司的猎鹰九号火箭和轨道科学公司的安塔瑞斯火箭，都曾进行微小卫星的搭载发射，猎鹰九号火箭执行空间站货运的CRS-1任务时，龙式飞船之外曾搭载轨道通讯公司的试验卫星，但由于火箭第一级故障问题未能进入预定轨道，而安塔瑞斯火箭执行空间站货运的Orb-3任务时，天鹅座飞船外也搭载了行星资源公司的Arkyd-3卫星，但火箭直接爆炸导致任务彻底失败。印度曾进行过一箭十星的发射，除了主载荷制图卫星-2A外，其他九颗都是搭载发射的微小卫星，这些质量在3～16千克之间的微型卫星，搭载发射无疑具有很高的性价比。

对于斤斤计较的商业航天公司，小卫星选择搭载发射方式更是顺理成章。轨道通讯公司曾使用猎鹰九号火箭搭载发射试验卫星；行星资源公司也利用安塔瑞斯火箭搭载发射试验性的Arkyd-3卫星，失败后又选择猎鹰九号火箭在CRS-6任务中搭载发射Arkyd-3R卫星；卢森堡空间公司和我国长城公司签订合同，在嫦娥五号T1任务中搭载发射了该公司的4M卫星。如果说轨道通讯公司或是行星资源公司还可能单独发射他们的卫星，但卢森堡空间公司无论如何也没法为4M单独采购运载火箭，搭载发射是唯一的选择。美国未来的EM-1任务中，SLS超重型火箭发射MPCV飞船的同时，也将搭载发射多颗微小卫星前往月球。

轨道通讯公司使用猎鹰九号火箭搭载发射了第二代系统的试验卫星，但它的第一代低轨道通讯卫星网络却是使用小型运载火箭单独发射的。1993年到1999年，该公司使用8枚飞马座小型固体运载火箭将37颗各型微小卫星送入近地轨道。2008年该公司还使用俄罗斯的宇宙-3M小型液体运载火箭，将6颗微小卫星送入近地轨道进行补网。

运载工具的短板

技术和需求的推动下，小卫星的发展方兴未艾，但在运载工具方面，却出现了明显的短板。搭载发射方式在小卫星需求不多尚且可以作为权宜之计，但现在已经越来越捉襟见肘，面对即将到来的成百上千颗小卫星的庞大发射需求，现有运载火箭已经明显力不从心了。

我国的长光卫星技术有限公司的吉林一号卫星包括一颗主卫星、一颗灵巧成像验证星和两颗灵巧成像视频星，在2015年10月使用长征火箭发射。吉林一号卫星主星也不过是几百千克质量，灵巧成像验证星更是只有50千克，三颗灵巧星都作为次级载荷搭载发射，但未来长光卫星公司计划将在轨卫星数量增加到60颗甚至138颗，光是组网补网就是巨大的发射压力。如果要在2020年组成60颗卫星的星座，以吉林一号的发射模式就需要15次发射，这几乎相当于长征火箭一年的发射量，无论是长征火箭的生产发射能力，还是长光公司的财力，都难以支持这样的高密度发射。

美国商业公司提出的一系列近地轨道通信和遥感星座计划，低轨道卫星的发射数量更是普遍高达上千颗。如果使用搭载发射方式，姑且不论准备和发射时优先考虑主载荷，在发射时间和方式上带来的麻烦，光是发射数量就心有余而力不足。即使考虑使用小型运载火箭发射，以轨道通讯公司的第一代低轨道星座为参照，其发射量也要达到一个空前的水平。大批量的商业发射之外，各个公司和研究机构的微小卫星尤其是研究型和试验型的微小卫星发射，又有其不同的特点。这些微小卫星数量可能不太多，但对轨道要求比较特殊，搭载发射方式同样无法满足它们的需求，而现役的小型运载火箭的数量和产能对此同样力不从心。简而言之，小卫星的发射已经成为小卫星领域的一块短板，越来越多的制约着小卫星产业的进一步发展。