太空里的“天女散花”

文/张乃千 杨诗杰

太空里的“天女散花”

文/张乃千 杨诗杰

不久前，印度通过一枚火箭将104颗卫星发射升空，虽然这些卫星多为技术门槛低、研制时间短的微小卫星，但一定程度上反映了航天卫星小型化、集成化的发展趋势。一箭多星顺应了这种趋势，具有充分利用火箭运载能力、降低卫星发射成本等优势。事实上，一箭多星发射技术角逐的主角始终是美俄两个航天大国，他们在一箭多星上长期较劲，就是互秀各自的分导式弹头技术，而这恰恰是突破弹道导弹防御系统的关键技术之一。

“一箭多星”备受航天界青睐

纤云弄巧，银汉迢迢。人类送到太空的第一名“旅客”，当属苏联1957年10月4日发射升空的第一颗人造卫星“斯普特尼克”。不甘落后的美国迅速发力，于1960年首次实现一枚火箭发射两颗卫星，开启一箭多星的航天新时代。

此后，人类围绕一枚火箭究竟可以同时发射多少颗卫星的较量一发而不可收。尝到了一箭多星发射“甜头”的美国于1961年成功实现“一箭3星”发射。随后，苏联也多次使用一枚火箭成功发射8颗卫星，一箭多星开始驶入数量井喷时代。2013年11月19日，美国轨道科学公司“弥诺陶洛斯”火箭创纪录地同时将29颗卫星送入地球轨道。仅仅两天之后，俄罗斯就使用一枚“第聂伯”运载火箭将32颗微型卫星送入太空。

除美俄两位航天界“大咖”外，欧洲航天局、日本和印度等也相继掌握了一箭多星发射技术。我国于1981年9月成功运用一枚“风暴一号”火箭实现“一箭3星”发射，一口气将一组3颗“实践”二号卫星送入地球轨道，成为第四个独立掌握一箭多星发射技术的国家。随后，“长征”系列运载火箭逐步实现开展一箭多星发射任务的常态化运作。2013年，我国成功将“高分一号”对地观测卫星和其他3颗卫星分别送入不同轨道。2015年9月20日由长征6号运载火箭成功发射的“一箭20星”，创造了当时的亚洲纪录，充分展现了我国在一箭多星发射领域的实力。

此次印度发射升空的104颗卫星，打破了由俄罗斯于2014年创下的“一箭37星”世界纪录，直接将一箭多星的“多”提升到数量上的“百”时代。

事实上，这已经不是印度第一次试水一箭多星。怀揣航天大国梦想的印度于2007年实现“一箭4星”发射，并于2008年率先突破个位数纪录，实现“一箭10星”发射。2016年6月，印度将20颗卫星一箭送入太空轨道。

“天女散花”其实并不容易

在此之前，我国自主研制的首枚固体运载火箭长征十一号，曾搭载4颗卫星实现固体运载火箭的一箭多星发射，标志着卫星发射进入数量大、时间短的“快递”时代。虽说一箭多星可充分“榨干”火箭的运载能力，为卫星发射服务提供多种选择模式，但并不意味着这种发射方式技术难度就低。要想实现太空“散花”，还真得下一番苦功夫。

目前，国际通用的一箭多星发射方式主要分为两大类。一种是“单次多放”，即把几颗卫星一次送入一个相同或几乎相同的轨道上去。另一种则是“多次单放”，即分批分次释放卫星，把卫星“挨家挨户”地送到它们的太空“新住处”。要想实现第二种精确化投送，就需要运载火箭在达到某一预定轨道速度后择机释放第一颗卫星，之后继续飞行，在达到下一个预定轨道速度时继续释放，直到把每一颗卫星都释放到相应轨道上。这两类发射方式，实现难度上也是天壤之别。

“天女散花”实现的关键，就是如何解决“星箭分离”瞬间大量卫星释放时的碰撞问题。尤其是在火箭飞行的最后阶段，卫星如何按照预定设计程序从卫星“座舱”中顺利“出舱”且不能相互擦碰，这就必须为每一颗卫星量身定做最佳的飞行路线和最佳分离时刻，才能真正实现多颗卫星的“各行其道”。更何况，一枚火箭同时装载多颗卫星，会对火箭的结构角度和重心分布带来改变，每一颗卫星出舱瞬间如何保证火箭飞行稳定，避免卫星内部电子设备产生无线电干扰都是摆在技术人员面前的重要问题。从技术角度上讲，一枚火箭发射多种不同轨道的卫星难度更高、技术更复杂。

要想实现一箭多星发射，首先对运载火箭提出了较高要求。运载火箭必须“身强体壮”到可以把数颗卫星送入轨道。同时，为了将多颗卫星分别送入不同参数的太空轨道，通常还要为他们量身定制专门的卫星分配器。我国在完成“一箭20星”发射任务中，就将20颗卫星分成3层像金字塔般排列，并采用了主星抱子星的装配方式。此外，卫星平台与载荷的微小型化和标准化也是一箭多星发射的核心技术之一。尤其是在微小型卫星搭载任务中，主载荷完成布置后，留给微小型卫星的空间和重量非常有限，如何充分利用一箭多星剩余的发射能力，值得我们深入思考。

“小马拉大车”成就飞天梦想

此次印度发射升空的104颗卫星中，有88颗卫星来自美国的一家地球图像公司。而这88颗昵称为“鸽子”的卫星互为“孪生兄弟”，每颗仅重5千克。目前，随着卫星技术的快速发展，出现了一大批重量在1吨乃至500千克以下“身材瘦小”的卫星，甚至小于100千克的卫星也屡见不鲜。对于这些小型载荷、单独发射成本过高、能有效分摊发射成本的一箭多星扫清了微小卫星应用的最后一道障碍。

在世界各航天大国争相分抢航天发射“蛋糕”的大背景下，一箭多星无疑具有巨大的市场应用前景。每次发射的卫星数量越多，单颗卫星的花费就有可能越低，如果有批量化的卫星发射订单，卫星进入太空轨道的“快递费”甚至会更低。随着空间应用和太空民用需求的不断拓展，发射能力强、效率高、成本低的一箭多星将创造“小马拉大车”的极限飞天新局面，成为全球商业卫星发射的“明日之星”。

当然，一箭多星技术自诞生之日起，就不是单纯的航天科技。冷战时期，美苏两国之所以在一箭多星发射领域相互角力，不断刷新卫星同时发射数量纪录和多轨道释放能力，其实就是在向对方炫耀其弹道导弹多弹头分导技术的最新成果。运载火箭与弹道导弹堪称一体双生，美国发射“一箭29星”所用的“弥诺陶洛斯”火箭最早就由“和平卫士”洲际导弹发展而来。无独有偶，俄罗斯发射卫星所用的“第聂伯”运载火箭，其实也是RS-20“撒旦”洲际导弹的衍生品。