国外“一箭多星”发射现状及关键技术分析

2015-12-18

国际太空 2015年10期

国外“一箭多星”发射现状及关键技术分析

吴胜宝胡冬生（中国运载火箭技术研究院研究发展中心）

Current Situation and Key Technology of Multi-payload Launch Missions

“一箭多星”是用一枚运载火箭将两颗以上的卫星发射至预定轨道。“一箭多星”发射能使单颗卫星的发射费用降低，有助于用大、中型运载火箭发射多颗中、小型以及微纳卫星。对于由中小型卫星组建全球通信与导航卫星网络系统，从费用、时间以及火箭运载能力来看，最可行的方案是“一箭多星”发射。伴随着微小卫星技术的快速发展，“一箭多星”发射任务的需求将越来越多。

1　发射统计分析

1960年，美国首次用一枚火箭发射了两颗卫星，1961年又实现了“一箭三星”发射。随后苏联、欧洲航天局实现了“一箭多星”发射，我国于20世纪80年代实现了“一箭多星”发射，成为继美国、苏联、欧洲航天局后第4个掌握“一箭多星”发射技术的国家。随后，印度和日本先后掌握了“一箭多星”发射技术，两国分别于2008年和2009年完成了“一箭十星”和“一箭八星”的发射，引起了世界范围内广泛关注。

2006年至2015年6月近10年间，国外实现“一箭多星”发射的次数共有156次（成功149次，失败7次），占运载火箭总发射次数的25.91%。149次成功发射共将589颗有效载荷送入轨道，平均每次发射3.95颗卫星。除2006年、2008年外，近10年间每年“一箭多星”发射成功次数在15～19次之间。

在“一箭四星”以上的发射任务中，近10年间共进行了59次发射。其中，俄罗斯23次，次数最多，并且2014年6月19日“第聂伯”火箭成功完成了“一箭三十七星”发射，创造了“一箭多星”发射的新记录。美国16次，欧洲5次，日本7次，印度8次。在59次“一箭四星”以上的发射任务中，执行低地球轨道（LEO）和太阳同步轨道（SSO）的多星发射任务一共有51次，占所有任务的86.4%。可以说，国外“一箭多星”发射的目标轨道主要是低地球轨道和太阳同步轨道。

2006-2015年国外“一箭多星”发射次数

2　典型火箭“一箭多星”发射情况介绍

近1 0年间，俄罗斯执行过“一箭多星”发射任务的火箭主要有联盟FG、联盟-2.1a/2.1b（弗雷盖特上面级）、“第聂伯”、宇宙-3M、隆声-KM；美国执行过“一箭多星”发射任务的火箭主要有德尔他-2、宇宙神-5、人牛怪-1和4以及猎鹰-9火箭；欧洲执行过“一箭多星”发射任务的火箭有阿里安-5、联盟ST、“织女星”火箭；日本执行过一箭多星发射任务的火箭有H-2A和2B火箭；印度主要是“极轨卫星运载火箭”执行“一箭多星”发射任务。可以看出，执行“一箭多星”发射任务的火箭不仅有大、中型运载火箭，如阿里安-5、联盟-2，也有小型运载火箭，如“织女星”、人牛怪-1。

“第聂伯”火箭“一箭多星”发射

“第聂伯”火箭是目前“一箭多星”发射的记录保持者，在2014年实现了“一箭三十七星”发射。2007年和2013年该火箭分别成功进行了“一箭十四星”和“一箭三十二星”的发射任务。“第聂伯”火箭通过多星分配器进行“一箭多星”发射，在分配器承力筒顶端安装主任务卫星，在分配器承力筒下方的环形承力盘上安装多颗小卫星，多星布局如图1所示。

图1　俄罗斯“第聂伯”火箭多星布局图

联盟-2/“弗雷盖特”火箭“一箭多星”发射

联盟-2/“弗雷盖特”火箭是世界商业发射市场的主流中型运载火箭，2010年至2015年6月，该火箭4次完成了共24颗第二代“全球星”通信卫星的发射任务。每次任务是“一箭六星”，6颗卫星分两层悬挂在筒式分配器侧壁。上层并联悬挂2颗卫星，下层并联悬挂4颗卫星，上、下两层卫星错开一定角度。发射任务中，由“弗雷盖特”上面级将6颗卫星部署在920km高度、52°倾角的低地球轨道上。

图2　联盟-2火箭“一箭六星”布局图

“人牛怪”火箭“一箭多星”发射

“人牛怪”火箭是近年美国执行“一箭多星”发射任务最多的火箭。2010年，人牛怪-4火箭完成“一箭七星”发射任务。该火箭采用“盘式多星分配器”（MPA）进行多星发射，4颗主要卫星位于“盘式多星分配器”上，其中1颗卫星上安装有1颗科学技术验证卫星，另外2颗小卫星安装于火箭的第四级上。在任务中，火箭末级首先将7颗卫星载荷送入650km高度、倾角72°的低地球轨道上，之后，利用“联氨辅助推进系统”（HAPS）把2个火箭技术验证有效载荷送入高1100km的低地球轨道内。

图3　人牛怪-4火箭“一箭七星”布局图

阿里安-5火箭“一箭多星”发射

阿里安-5火箭是欧洲的主力大型火箭，主要用于将通信卫星发射送入地球同步转移轨道（GTO）。阿里安-5火箭多采用“一箭双星”发射方式，双星通过“阿里安”双星发射系统（Sylda-5）在整流罩内分层布置。2009年，阿里安-5 ECA型火箭成功实现了“一箭四星”发射任务，主载荷是2颗通信卫星，位于Sylda-5双星适配器内外端，搭载的2颗卫星位于有效载荷支架两侧面。

图4　阿里安-5 ECA火箭“一箭四星”布局示意图

印度“极轨卫星运载火箭”“一箭多星”发射

“极轨卫星运载火箭”是印度的主力火箭，其在2007-2015年（2012年除外）间几乎每年都成功完成了“一箭多星”发射任务。2008年，该火箭以“一箭十星”方式成功将10颗卫星发射升空，卫星总质量为824kg。发射885s和930s，火箭先后释放质量较大的2颗卫星，随后，8颗质量在3～16kg之间的超小型纳卫星也相继释放，8颗纳卫星质量共50kg，其中6颗捆绑在一起。这枚“极轨卫星运载火箭”的有效载荷布局如图5所示，分配器承力筒顶端安装主任务遥感卫星，在分配器承力筒下方的环形承力盘上安装多颗小卫星，并且在承力筒侧壁悬挂安装多颗纳卫星。

图5　印度“极轨卫星运载火箭”“一箭十星”布局图

3　关键技术分析

多星分离与轨道部署技术

当一次发射的多颗卫星对于轨道高度以及轨道相位没有较高要求，如搭载发射多颗微纳卫星，火箭入轨后，只需要在特定的轨道上将卫星依次释放出，确保分离出的卫星之间不发生碰撞即可。此种任务实施难度相对较小，“第聂伯”火箭以及印度“极轨卫星运载火箭”的多星发射任务大多属于此种情况。

当一次发射的多颗卫星对于轨道高度或轨道相位有较高要求时，实施“一箭多星”发射任务，运载火箭在传统技术基础上还必须有一个先进的上面级，通过上面级的多次点火、起动，机动至同一轨道面不同相位处或者不同轨道高度处，完成卫星分离及轨道部署，以满足不同卫星入轨的相位或高度要求。联盟-2火箭“一箭六星”发射任务以及“隆声”火箭“一箭三星”发射任务中，便是通过“弗雷盖特”上面级、“微风”上面级实现卫星的精确入轨。

图6　“微风”上面级“一箭三星”布局示意图

采用上面级进行多星发射及轨道部署，可以利用上面级的强机动性，减少多星部署的时间，降低卫星本体的机动性能要求。相较于传统的火箭末级，上面级需要具备多次起动、长时间在轨的能力，如执行同一轨道面内不同相位要求的“一箭十星”发射任务，上面级必须要具备18次起动能力，在轨时间需要数天。

此外，通过空间站释放微小卫星也成为微小卫星分离及轨道部署的重要手段。2014年1月8日，美国“安塔瑞斯”火箭在发射“天鹅座”飞船时，将33颗小卫星发射到“国际空间站”，并随后从“国际空间站”释放入轨。2014年全年，成功进入空间站的航天器数量达到67个，已经释放了47个。

多星分配器设计技术

卫星分配器用于提供卫星在火箭整流罩内的安装布局位置。目前，多星发射的方式主要有两大类，一类是规模相当的多颗卫星一次发射，如卫星星座中导航卫星、通信卫星等，每颗卫星的质量、尺寸基本上一样，多星分配器可采用中心承力筒式多星分配器或盘式多星分配器，卫星在整流罩内的布局方式如图2、图3所示。另一类是搭载发射，在多颗卫星中，一颗是主任务卫星，另外的几颗微纳卫星为搭载卫星，主任务卫星一般多位于卫星分配器的顶端，搭载卫星多在分配器的侧壁或下方四周，卫星在整流罩内的布局方式如图1、图5所示。

图7　中心承力筒式及圆盘式多星分配器多星布局示意图

随着“一箭多星”发射任务的增加，为提高搭载效率和减小分离冲击，国外研制了多种新型的多星分配器，如美国“改进型一次性运载火箭次级有效载荷分配器”（ESPA）。该分配器为筒形结构，下端面为其与运载火箭或上面级的接口，上端面为主任务卫星接口，侧壁根据小卫星的接口形式，周向均布多个小卫星接口。这种分配器及多星发射布局设计极大地减小了次级有效载荷对主任务卫星的影响，合理地利用了多星分配器及整流罩内的空间。

针对立方体卫星（CubeSat）的搭载任务，美国加州理工大学和斯坦福大学研制了“多皮卫星在轨分配器”（P-POD）。多颗立方体卫星在“多皮卫星在轨分配器”内并排布置，当星箭分离时，舱门的解锁装置分离，舱门在底部的扭簧作用下打开，作用在舱底的主分离弹簧由于去掉了舱门的位置限制，推动活动底板，将卫星逐个从舱底向舱口推出，卫星的导向是靠舱内四角的导轨实现。根据卫星数量的不同，还可以有单星“多皮卫星在轨分配器”、双星“多皮卫星在轨分配器”和多星“多皮卫星在轨分配器”等多种规格。“多皮卫星在轨分配器”可以在多种运载火箭上搭载使用，从2003年开始，已经有多颗立方体卫星通过“多皮卫星在轨分配器”实现搭载发射。

图8　ESPA多星分配器及多星发射布局示意图

图9　“多皮卫星在轨分配器”示意图

卫星微小型化和标准化技术

卫星平台与载荷的微小型化和标准化也是进行“一箭多星”发射的核心技术之一。在微小型卫星搭载任务中，主载荷完成布局后，留给微小型卫星的空间和重量均非常有限。卫星需要采用标准化设计，简化接口，降低质量和尺寸。随着微电子、微光机电和集成电路技术不断发展，卫星小型化趋势不断加速。目前快速发展的立方体卫星便是一个典型，单个立方体卫星的质量只有约1kg，尺寸只有10cm×10cm×10cm。立方体卫星的研制以及标准化，降低了“一箭多星”发射任务时卫星布局和分离的难度。

多星发射地面测控技术

“一箭多星”发射入轨，对于地面测控系统压力增大。其测控数据由传统的1～2颗增加到几颗、十几颗，测控能力要求增加。为了满足“一箭多星”的发射任务需求，需要从两方面解决多星测控问题：一方面在卫星设计和研制中，重点解决卫星的自主运行管理与测控问题，减轻地面测控压力；另一方面需要对地面测控系统进行优化配置，采用先进的地面多星测控技术，在有限的测控时间内完成对多颗卫星的运行管理与测控任务。