小卫星发射的发展

+ 张雪松/squirrel

小卫星发射的发展

+ 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。

新一代小型运载火箭

小卫星发射手段中，小型运载火箭占据了重要的地位。小型运载火箭虽然运力不大，但发射报价低发射灵活性高，满足了很多类型的小卫星的发射需求。轨道科学公司抓住小卫星市场发展的机遇，研制了米诺陶、飞马座和金牛座等小型固体运载火箭，在小卫星发射市场上占据了先机。此一时彼一时，轨道科学公司的小型运载火箭相对当年的大中型运载火箭是物美价廉的选择，但现在的发射报价却日益高涨，无法满足小卫星市场进一步发展的需求。在小卫星产业迅速发展的推动下，世界航天业界已经掀起了研制新一代小型运载火箭的热潮，一大批新型小型运载火箭已经蓄势待发。

美国是世界航天产业的领头羊，小型运载火箭的研制上同样奋勇当先。美国新成立的萤火虫（firefly）空间系统公司正在研制名为萤火虫α的小型运载火箭，这是一种小型二级液体运载火箭，使用小推力的挤压循环液氧甲烷发动机FRE-1和FRE-2，箭体使用高强度碳纤维复合材料，近地轨道运力为400千克。萤火虫α火箭的亮点，首先是它使用了液氧甲烷发动机和挤压循环方式，同等技术水平下液氧甲烷组合在常用推进剂中比冲仅次于液氧液氢，而挤压循环方式是最安全的发动机循环方式，这种选择兼顾了性能和安全性。萤火虫α火箭还使用了气动塞式（Aerospike）喷口，它的第一级FRE-2发动机实际上是9台发动机的并联，单台发动机推力约40千牛，这9台发动机构成了气动塞式（Aerospike）喷口，保证了发动机在低空和高空都有更好的比冲性能。萤火虫α火箭的第二级FRE-1发动机属于第一级单台发动机的真空版，最大程度上简化了设计和制造的难度，其真空比冲从305秒提高到335秒，推力提高到44.5千牛。事实上一个40多千牛的小型发动机，本身就极大地降低了火箭发动机的研制成本。萤火虫α火箭的碳纤维复合材料壳体，对于其他国家来说属于“高大上”的昂贵高科技，但美国火箭上使用碳纤维复合材料的技术已经成熟，对萤火虫公司来说，反而是兼顾性能和成本的最佳选择。萤火虫空间系统公司称，萤火虫α火箭的发射成本仅为900万美元，是同等运力级别中报价最低的运载火箭，将在未来小卫星发射市场上占据重要地位。

美国空军为了满足作战响应空间（ORS）计划的需求，正在近地轨道纳卫星集成防御自主系统（LEONIDAS）项目下研制滑轨发射的火花/斯巴克（SPARK）小型运载火箭，火箭将在ORS-4任务中于今年年底进行首次发射。航空喷气洛克达因公司负责为“斯巴克”火箭提供火箭发动机并负责火箭的总体集成，“斯巴克”火箭又名“超级斯届比”，是一种典型的三级固体运载火箭，和米诺陶等基于洲际导弹的固体运载火箭不同，“超级斯届比”小型固体运载火箭是基于大型探空火箭“斯届比”研制的，因此使用了传统运载火箭中少见的滑轨发射方式。“斯巴克”火箭着重于太阳同步轨道发射任务，发射场位于夏威夷的太平洋靶场，具备将250千克的总载荷送入400千米高度太阳同步圆轨道的能力，发射报价约为1200到1600万美元。“斯巴克”火箭具有发射价格低廉，发射准备时间短，发射时间灵活性高等特点，将是美国空军作战响应空间未来发射微纳卫星甚至小卫星的主力运载工具，也将满足美国各政府机构、大学和商业公司低成本发射微纳卫星的需求。

美国掀起了小型运载火箭的研制热潮，其他国家也不甘落后。2014年新西兰火箭实验室公司公开了“电子”（Electron）小型液体运载火箭的方案，它的近地轨道运力约为110千克，可以说是为微纳卫星订做的火箭。“电子”火箭使用复合材料壳体，名为卢瑟福的发动机使用了电池驱动的涡轮泵，并使用了电子束熔融的3D打印技术制造，以最大限度的降低成本。新西兰人称“电子”火箭的发射报价略低于500万美元，这使它在发射市场上占有不小的优势；欧洲阿里安宇航公司2015年9月14日发布消息，称为了应对未来小卫星的发射需求，该公司正在研究为客户提供一种近地轨道300千克的小型运载火箭。挪威公司还计划研制NSLV小型运载火箭，它派生于探空火箭，预计在2020年左右进行首次发射，只能将大约10千克载荷送入350千米高度的极地轨道，或者说它具备将类似AISSat-1的纳卫星送入轨道的能力，而AISSat-1卫星是搭载印度PSLV-C15火箭升空的的。

中国也没有缺席小卫星发射工具的发展热潮。我国的快舟一号小型固体运载火箭已经进行了两次发射，快舟一号火箭是一种典型的作战空间响应火箭，具有维护简单发射准备时间短等特点，可用于快速组网和补网发射。中国航天科工集团还在快舟一号的基础上衍生了飞天一号小型运载火箭，科工集团提出的30余颗卫星组成的、重访周期小于两小时的商业遥感卫星星座，以及上百颗卫星组成的、具有全球覆盖、高带宽和低时延等特点的"幸福之星"低轨宽带移动卫星通信系统，很可能都将使用飞天一号火箭发射。中国航天科技集团作为中国航天发射的主力，已经研制了长征六号小型液体运载火箭和长征十一号小型固体运载火箭，它们都具有发射价格低、发射准备时间短等特点，可望在未来的小卫星发射市场上大显身手。长征六号火箭预定9月19日的首次发射中，将以一箭二十星的方式发射小卫星和微纳卫星，展示它出色的微小卫星发射能力。

中型火箭的发展

小火箭具有发射价格低发射时间灵活的特点，但严格地说它们单位质量的发射成本始终大于大中型运载火箭。对于大量小卫星的发射，中型运载火箭始终是必不可少的中流砥柱。小卫星商业化热潮中，Oneweb低轨道通信方案和太空探索技术公司的低轨道通信星座方案是最典型的代表，它们不约而同的选择了新型中型火箭进行发射。

Oneweb星座最初曾计划使用阿里安宇航公司的联盟火箭发射，而后改用维珍银河公司的发射器一号（LauncherOne）运载工具发射。发射器一号是维珍银河公司2012年7月公布的运载火箭，根据最新消息它可将约400千克的小卫星送入太阳同步轨道，维珍公司计划将单次发射成本降低到1000万美元以下。根据最新公布的信息，Oneweb星座组网需要使用发射器一号进行39次发射，发射成本仅为不到4亿美元，不到21次联盟火箭发射费用的1/4。不过细心的人们也发现了自相矛盾的情节，发射器一号一次只能发射400千克重的载荷，而Oneweb星座每颗卫星质量为125千克，事实上用于发射的可能是发射器二号，它将具有更大运力，但发射成本仍然远远低于昂贵的联盟火箭。

太空探索技术公司作为航天发射市场上的新秀，本着肥水不流外人田的原则，自家的低轨道通讯星座使用了自家的猎鹰九号火箭。人们对猎鹰九号火箭并不陌生，它因为发射龙式飞船名声远扬，而接二连三的第一级海上着陆试验更是举世瞩目。猎鹰九号火箭正在不断试验第一级反推飞回和着陆技术，计划未来让第一级火箭返回发射场降落，检修后快速再次投入使用。如果第一级火箭复用成功，该公司还将尝试第二级火箭的反推再入和着陆，进行第二级的复用，最终做到整枚火箭完全可重复使用。太空探索技术公司的可重复使用的猎鹰九号火箭，未来将用于发射高达4025颗卫星的低轨道通信星座，据称可重复使用的猎鹰九号火箭有望将单次发射费用降低到1000万美元以下，只有原来一次性猎鹰九号火箭的几分之一，这大概就是太空探索技术公司提出一个规模空前的小卫星通信星座网络的底气。

有趣的是空中客车公司也提出了可重复使用运载火箭的计划，名为“艾德琳”的低成本可重复使用运载工具基于现在的阿里安火箭研制，第一级分离后可自主降落，翻新后用于下一枚火箭的发射。“艾德琳”火箭有望重复使用大约10到20次，这将显著降低发射成本，有助于空中客车公司和阿里安宇航公司保持商业发射市场上的优势地位，也将为小卫星多星发射提供更多的选择。