印度“一箭104星”任务简析

印度“一箭104星”任务简析

Analysis on the Mission of India' s Launching of 104 Satellites on a Single Rocket

刘博 特日格乐 王聪 陈建光 李虹琳 （中国航天系统科学与工程研究院）

2017年2月15日，印度“极轨卫星运载火箭”（PSLV）搭载104颗卫星从萨提斯达瓦航天中心发射，将制图卫星-2D（CartoSat-2D）遥感卫星和103颗纳卫星送至太阳同步轨道（SSO），打破俄罗斯“第聂伯”（Dnepr）火箭“一箭三十七星”发射记录，创下运载火箭单次发射卫星数量世界记录。

1 发射任务情况

“极轨卫星运载火箭”基本情况

“极轨卫星运载火箭”系列包括3种在役型号，基本型极轨卫星运载火箭-G为捆绑6枚固体助推器的四级运载火箭；芯级型极轨卫星运载火箭-CA为不捆绑固体助推器的四级火箭；增强型极轨卫星运载火箭-XL与基本型构型相同，增加了固体助推器推进剂质量来提升运载能力。印度此次发射使用增强型极轨卫星运载火箭-XL，全长44.4m，起飞质量320t，整流罩直径3.2m、高8.3m。该火箭太阳同步轨道运载能力1750kg，地球同步转移轨道（GTO）运载能力1425kg。

极轨卫星运载火箭-XL第一级捆绑助推器采用固体推进剂，芯级间隔采用固、液推进系统，芯一级、三级采用固体推进剂，二级和四级采用液体推进剂。

火箭发射时序

此次发射的104颗卫星中，制图卫星-2D和印度纳卫星-1A、1B（INS-1A、1B）直接安装在火箭第四级（上面级）适配器上，其余纳卫星则封装在25个荷兰公司研制的“QuadPacks”纳卫星分配器上，再被安装于火箭第四级。当火箭发射至510km轨道高度后，火箭上面级首先释放制图卫星-2D和印度纳卫星-1A、1B；之后10min内，上面级控制“QuadPacks”分配器在511.7～524km高度范围依次弹出其余卫星，确保卫星之间不会相撞。

火箭发射时序

“极轨卫星运载火箭”各级性能参数

入轨卫星情况

本次任务发射的卫星总质量为1378kg，包括1颗“制图卫星”、2颗“印度纳卫星”，以及101颗来自美国、荷兰、瑞士等的国外纳卫星。卫星轨道高度位于510～524km之间，倾角97.46°。

（1）制图卫星-2D

制图卫星-2D由印度空间研究组织（ISRO）研制，是印度军民两用高分辨率光学对地成像卫星制图卫星-2系列中的第5颗。该卫星采用印度遥感卫星-2（IRS-2）平台，质量714kg，由印度空间研究组织负责运营。该系列卫星旨在获取高分辨率和多光谱图像，为印度军方以及民事应用提供服务，主要用途包括地图测绘、城市规划、环境监测、资源管理以及减灾。

该卫星携带2个有效载荷，1个是高分辨率全色相机，分辨率0.65m，另1个是4通道多光谱成像仪，分辨率2m，幅宽10km。这2个载荷共用1个口径70cm、焦距5.6m的望远镜。制图卫星-2D入轨后将与2016年6月发射入轨的制图卫星-2C构成双星星座，实现对印度国土的快速重访。此外，为实现更高的分辨率，该卫星轨道高度为505km，低于之前的制图卫星-2、2A和2B系列卫星。

（2）印度纳卫星-1A和1B

印度纳卫星-1A和1B是印度空间研究组织研制的2颗技术试验卫星，均采用了新型“印度纳卫星”多用途平台，将进行6个月至1年的在轨演示任务，以验证该卫星平台性能。该卫星平台采用高度模块化设计，可进行多种载荷的技术演示和科学研究任务，其主要目标是，为发展中国家提供将本国载荷以更具效费比方式送入太空的机会。

印度纳卫星-1A质量8.4kg，有效载荷包括“表面双向反射分布函数辐射计”（SBR）和“单粒子翻转监测仪”（SEUM），均由印度太空应用中心（SAC）研制，前者用于测量地面目标的双向反射分布函数，后者用于监测一些商业现货（COTS）电子元器件在低轨道太空环境下的单粒子翻转现象。印度纳卫星-1B卫星质量为9.7kg，搭载载荷包括由印度光电系统实验室研制的“地球大气外逸层莱曼α分析仪”和由印度太空应用中心研制的超精细相机，前者用于测量近地空间中的原子氢的光谱特征以研究氢含量，后者主要完成技术验证任务。

（3）鸽群-3P卫星

本次发射的88颗鸽群-3P（Flock-3P）卫星属于美国行星公司（Planet），是其运营的“鸽子”（Dove）星座卫星系列。鸽群-3P卫星质量4.7kg，可以获取地球表面全色和多波段图像，图像分辨率3～5m。

行星公司之前的大多数“鸽群”卫星采取从“国际空间站”（ISS）释放的部署方式，部署轨道不能覆盖整个地球，并且卫星只能持续工作6个月至1年时间。利用此次“极轨卫星运载火箭”搭载发射，88颗“鸽群”卫星可以被送入更高、更长期的轨道，进而实现全球覆盖；并且这是目前世界单次发射部署同一个运营商卫星数量最多的任务，也是“鸽群”卫星的第15次发射部署。

（4）狐猴-2

本次发射的8颗狐猴-2（Lemur-2）卫星属于美国斯派尔公司（Spire），均为3U立方体卫星，并采用相同卫星配置，每颗质量4.6kg。卫星搭载2个有效载荷，包括用于探测地球大气层温湿度垂直剖面数据的GPS掩星测量系统，以及用于跟踪识别全球海上船只以提供商业服务的“自动识别系统”（AIS）接收机。该批狐猴-2卫星发射成功，将斯派尔公司的遥感卫星星座规模提升至29颗。

（5）“压电辅助智能卫星结构”

“压电辅助智能卫星结构”（PEASSS）是荷兰应用科学研究院（TNO）联合多家欧洲企业研制的3U立方体技术试验卫星。该卫星质量仅3kg，属于欧盟委员会“研究和发展信息服务共同体”（CORDIS）框架管理的项目。该卫星由欧盟委员会根据“第七框架计划”投资研制，投资方包括荷兰应用科学研究院、德国主动太空技术公司（AST）、以色列理工学院（Technion）、比利时索纳卡公司（SONACA）和荷兰太空创新公司（ISIS） 等。任务目标是演示由复合面板、压电材料和下一代传感器结合构成的智能结构技术。该技术可以保持光学元件完美校准，抵消来自卫星平台的机械振动，并减轻卫星结构的热膨胀/收缩，是未来构建超稳定天基成像系统的基础。除了验证智能结构及其性能，“压电辅助智能卫星结构”将测试用于纳卫星的下一代功率调节和数据采集组件。

（6）DlDO-2

DIDO-2卫星是由瑞士-以色利联合公司SpacePharma设计的3U微重力研究立方体卫星，质量为4.3kg，目的是开发一个可以完全遥控的太空微型实验室，开展微生物学、生物化学以及微物理学研究实验。该卫星搭载名为mGnify的微型实验系统，为研究人员提供了微重力的研究环境。地面人员可以从世界任何地方经过安全的网络接口，遥控进行“单芯片实验技术”载荷、显微镜、光谱仪、微型重力泵和其他设备的试验。

（7）BGUSat

BGUSat是以色列古里安大学与以色列航空航天公司联合研制的3U立方体技术试验卫星，主要用于在低地球轨道（LEO）上进行技术验证。卫星质量为4.3kg，由古里安大学学生设计，携带的有效载荷包括1个获取648×488像素图像的中等分辨率CCD相机，实验性天基GPS接收机，光通信系统、实验型陀螺仪和一个为未来小卫星任务设计的霍尼韦尔智能数字磁力计单元。

（8）Al-Farabi-1

Al-Farabi-1是由哈萨克斯坦法拉比国立大学学生研制的1颗2U立方体技术试验卫星，旨在为高校学生进行卫星任务研制提供工程经验，任务内容包括调整测试通信算法、卫星姿态测定与控制软件，以及测试星上自研器件寿命。卫星搭载的主要载荷是商用航天级全色相机NanoCam。该相机由丹麦GomSpace公司提供，用于进行地球遥感成像试验，覆盖范围165km×125km，空间分辨率80m。

（9）Nayif-1

Nayif-1由阿联酋穆罕默德·宾·拉希德空间中心（MNRSC）和美国萨迦大学（AUS）联合研制，是1颗1U立方体技术试验卫星，也是阿联酋的第一颗纳卫星，旨在为高校学生提供卫星飞行任务设计、开发、制造和操作方面的实践经验。该卫星质量为1.1kg，星上有效载荷为业余无线电卫星公司提供的业余通信终端FunCube-5。

2 印度运载火箭技术能力分析

印度“一箭多星”发射技术趋于成熟，与主要航天国家仍有差距

“一箭多星”发射是用一枚运载火箭将2颗及以上卫星发射至相同或不同的预定轨道，可充分利用火箭运载能力，降低卫星发射成本。目前世界上掌握“一箭多星”发射技术的国家/地区有美国、俄罗斯、欧洲、中国、日本、印度。其中，印度于1999年首次利用“极轨卫星运载火箭”成功实施“一箭三星”发射，至今已成功完成19次“一箭多星”任务。其中，于2016年9月突破火箭上面级重启与变轨技术，将8颗卫星送入2个不同轨道；在本次“一箭104星”多星共轨发射任务中，印度引进了国外标准化多星分配器，解决百颗纳卫星与火箭的接口适配难题，同时还提升了上面级星箭分离和调姿控制能力，确保每颗卫星独立分离、有序入轨，标志着印度在多卫星集成、星箭分离等关键技术方面已逐渐成熟。“极轨卫星运载火箭”系列火箭经过多次改进，可靠性不断提高，发射成功率达94.74%，发射频率也逐年增加，2016年达到6次。但“极轨卫星运载火箭”运载能力较低，主要执行太阳同步轨道多星发射任务，发射的载荷约90%是质量低于100kg的微卫星和纳卫星，无法执行大中型卫星的地球同步转移轨道多星发射。同时“极轨卫星运载火箭”上面级采用有毒常温推进剂，推力小、在轨时间短、推进剂管理水平低，而美、俄、欧、日的先进上面级多已采用液氢/液氧低温无毒推进剂，在轨时间最长可达数十天、可多次高精度变轨，印度与其相比仍有较大技术差距。

印度航天运载能力偏低，有望年内实现提升

印度目前运载能力最大的在役火箭是“地球同步卫星运载火箭”（GSLV），其近地轨道运载能力5t、地球同步转移轨道运载能力2.5t，远低于主要航天国家20吨级近地轨道运载能力，且可靠性较低，发射成功率仅50%。为提升运载能力，满足未来卫星发射、载人航天、深空探测等需求，印度开始研制新一代两级构型地球同步卫星运载火箭-MK3，目标是使近地轨道和地球同步转移轨道运载能力分别达到8t和4t，已于2014年成功进行首次亚轨道飞行试验。上面级只搭载模拟发动机，主要验证了火箭第一级和两枚捆绑的大型固体助推器性能。其中固体助推器海平面推力达5996kN，仅次于美国航天飞机固体助推器（SRB）和欧洲阿里安-5（Ariane-5）固体助推器，成为世界第三。同时，印度已具备独立研制液氧/液氢低温上面级发动机的能力，新一代推力达200kN的上面级C25于2017年2月完成持续点火试验，满足所有飞行性能指标，实现研制里程碑。装有此上面级的地球同步卫星运载火箭-Mk3有望在2017年中发射，将大幅提升印度航天运载能力。

3 结语

小卫星搭载发射将成为发展趋势，印度借助成熟技术已抢占先机

传统火箭单星发射时，搭载的卫星质量不会与火箭运载能力完全一致，造成运载能力极大浪费。采用“一箭多星”方式可根据火箭剩余运载能力合理选择搭载对象，增加卫星发射机会，实现卫星星座快速组网，提高火箭自身效益，降低单颗卫星发射成本。近年来随着微纳卫星发射需求的不断增长，各国相继利用大中型火箭开展多星发射业务，2016年达到20次（不包括空间站释放多星），占年发射次数23.5%，将113颗各类卫星送入轨道。印度利用“极轨卫星运载火箭”低价格、高可靠、可“一箭多星”发射的特点，快速拓展微纳卫星商业发射市场业务，至今已为美国、德国、法国等23个国家发射了180颗卫星（包括此次101颗），并计划在2020年将“极轨卫星运载火箭”业务移交给商业公司，提高火箭发射频率，有望进一步提升商业卫星发射市场份额。

印度持续加大航天领域投入，在多个领域取得较大进展

近年来，印度逐步迈入世界深空探测技术先进国家行列，已于2014年成功将火星探测器送入火星轨道，成为继美、俄、欧之后全球第4个成功实现火星探测的国家/地区，还计划于2018年一次性实施月船-2（Chandrayaan-2）“绕、落、巡”月球探测任务。印度应用卫星体系也不断完善，建成了由7颗卫星组成的“印度区域导航卫星系统”（IRNSS），具备自主区域卫星导航能力；印度目前在轨遥感卫星共计18颗，“制图卫星”、“雷达成像卫星”分别提供优于1m分辨率的光学和雷达图像，本次发射的制图卫星-2D分辨率已达0.65m，印度还计划2018年部署分辨率为0.25m的新一代“制图卫星”，有望达到世界先进水平。

印度从国际合作走向自力更生，标志着其航天工业整体能力水平正在提升

印度在发展航天的道路上，采取引进、改造和自行研制相结合的方式，利用其不结盟的国际地位与特殊的地理位置，较中国等国家更容易取得国际支持，实现了投资少、起点高、见效快的发展特点。同时印度也高度重视“独立自主”航天能力，在关键技术上努力实现进口替代，整体航天能力水平提升已初见成效，有望在商业航天领域具备较强竞争力。

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