新潮流：“拼车”去太空

文/ 杨开

在2019年8月的小卫星大会上，太空探索技术公司和阿里安航天公司分别提出利用猎鹰9火箭和阿里安6火箭提供“拼车”式发射服务，前者面向太阳同步轨道（SSO）卫星，发射价格低至100万美元；后者针对地球同步轨道（GEO）小卫星，能够直接将小卫星送入GEO轨道。随后，俄罗斯负责运营联盟号2火箭的GK发射服务在9月份也提出，利用联盟号2火箭提供太阳同步轨道拼车发射服务。到2020年，太空探索技术公司在6月18日宣布在不到10个月的时间内其拼车发射服务已经获得100多个微小卫星的发射订单。欧洲阿里安航天公司在9月初完成织女星火箭的首次专门的拼车发射服务，成功发射了21家用户的53个小卫星。

可见，在小卫星需求旺盛，相关技术和接口标准逐步统一，产业支撑（任务组织、卫星分离系统、地面测控等）相继完善的背景下，包括猎鹰9、联盟号2和织女星在内的火箭型号，能够充分发挥自身上面级的性能，为大量小卫星提供拼车发射服务。相比“电子号”等专门用于微小卫星和立方星发射的微小型火箭，拼车发射在成本上具有显著的优势，使其成为当前一个重要的潮流和趋势。

▲ 2012～2018年600千克以下微小卫星发射数量

微小卫星数量爆发式增长

近年来，小卫星星座层出不穷，小卫星发射需求也呈现出快速增长的态势。根据美国布莱斯太空技术公司在2019年发布的《小卫星指数报告》，600千克以下的微小卫星发射数量从2012年的50多颗增长到2017～2018年的300多颗。而根据北方天空研究所（NSR）和欧洲咨询公司（Euroconsult）在2019年公布的预测数据，2019-2028年全球微小卫星制造及发射的收入将达到428亿美元，是过去10年的4倍。新航天指数的统计数据显示，已有卫星入轨的小卫星星座超过50个，这些星座计划中卫星总数超过18000颗。从数据上可以看到，微小卫星不仅是当下的发展热点，未来也将保持快速增长的趋势。

数量庞大的微小卫星需要寻找低成本、高可靠的入轨方式，成为促进拼车发射服务快速发展的一个主要驱动因素。

拼车发射成为微小卫星入轨的低成本选择

目前，小卫星入轨有四种可选方式：专用的微小型运载火箭、搭载发射、拼车发射以及搭载货运飞船进入空间站后从空间站上释放。

专用的微小型运载火箭

伴随着小卫星发展的热潮，专门用于微小卫星发射的微小运载火箭研制活动近几年迎来了爆发，全球大约有超过150个微小型火箭方案，虽然大部分都处于纸面上，但也有少数已经投入使用或接近投入使用。其中最成功的是火箭实验室公司的电子号火箭，已经完成14次发射。这些小型火箭大都以低成本发射自居，然而实际的发射单价却远高于大中型火箭。以电子号为例，其近地轨道运载能力225千克，发射报价为570万美元，每千克价格超过2.5万美元。而一般大中型火箭的近地轨道发射单价大约在4000～10000美元之间，两者相差非常悬殊。

▲ 电子号火箭发射价格达到570万美元

搭载发射

搭载发射（piggyback）是早期小卫星发射入轨的主要方式，能够利用主星发射时的剩余运载能力，为小卫星提供入轨机会。搭载发射多数是执行近地轨道和太阳同步轨道发射任务，运载能力在2～5吨左右的中小型运载火箭，印度的极地轨道卫星运载火箭（PSLV）、乌克兰的第聂伯火箭、俄罗斯的联盟2火箭以及欧洲的织女星火箭，都是经常执行搭载发射的典型火箭型号。搭载发射能够在很大程度上降低发射成本，但劣势就是必须服从主星的任务时间安排和目标轨道。

拼车发射

拼车发射（rideshare）是近几年才提出来的一种概念，是指某型火箭在特定时间提供一次发射机会，众多小卫星不分主次，都利用这次机会进入太空。例如阿里安航天公司在9月初执行织女星一箭53星任务，以及太空探索技术公司在2018年12月执行的“SSO-A小卫星快车”都属于拼车发射。

然而，实际最早采用这种模式的既非太空探索技术公司，也不是阿里安航天公司，而是运营乌克兰第聂伯火箭的国际宇航运输系统公司（ICS Kosmotras）。该公司从2000年就开始进行被称为“集群发射”（Cluster Launch）的拼车发射服务，并研制了专用的卫星分配器和分离机构，在2013年11月和2014年6月分别创造了一箭24星和一箭33星的记录。然而，第聂伯火箭在2015年退役之后，相关的发射服务也随即终止。

▲ 2017年2月，印度PSLV发射1颗遥感卫星时，搭载103颗微小卫星，创造了一箭104星的多星发射记录

拼车发射服务对于小卫星而言，最重要的意义就是有了低成本进入空间的机会，因为小卫星本身得到的支持经费就不多，很难再去支付高昂的发射费用。以公布拼车发射价格的太空探索技术公司为例，200千克以下的微小卫星起步发射价格为100万美元，之后载荷重量每增加1千克发射价格增加5000美元。美国行星实验室公司主管卫星发射的副总裁迈克·塞夫亚表示，之所以选择太空探索技术公司的拼车发射服务，“是因为该公司提供了前所未有的低价，非常具有竞争力。”另外，相比搭载发射而言，拼车发射的时间相对固定，发射频次和数量也更多，灵活性更好。还需要说明的是，由于阿里安航天公司和太空探索技术公司将搭载发射的机会也称为拼车发射，使得原本划分就不太清晰的搭载发射和拼车发射，相互之间的界限更加模糊。

空间站释放

最后，还有一部分立方星是通过搭载货运飞船进入国际空间站，再从国际空间站上释放，虽然机会更少、轨道限制更严格，但是也有一些优势，比如发射过程中在飞船中能获得更好的振动环境、能够选择从空间站上释放的时机以及在释放之前能够检查卫星是否受损等。

中介在发射服务中充当的角色

▲ 2019年6月3颗立方星从国际空间站上释放

相比传统的一箭多星发射任务，拼车发射的载荷数量一般都是数十颗，而且是来自多家用户，在发射任务的组织上存在比较大的难度，所以一般都需要专门的发射服务中介来组织。目前，全球从事发射服务中介的公司主要有美国的太空飞行公司（Spaceflight Inc）和泰瓦克公司（Tyvak）、荷兰的空间创新解决方案公司（ISIS）、德国的艾克苏发射公司（Exolaunch）、意大利的D-轨道公司（D-orbit）等。发射服务中介大都是以做微小卫星适配器和分离机构起家，能够接触到大量的微小卫星研发企业和机构，所以非常自然地成为连接起用户和火箭运营商之间的桥梁。此前，它们就一直代理着印度的PSLV火箭、联盟号2等火箭的搭载发射服务。随着拼车发射服务的兴起，发射服务中介也将发挥更重要的作用。

欧洲在9月初执行“织女星”一箭53星任务中，为便于组织发射，成立了萨博发射服务公司（SAB LS），专门为其拼车发射任务提供微小卫星的用户对接、载荷准备和安装、载荷运输和保险等服务支持。而在“织女星”的一箭53星任务中，共有五家发射服务中介参与，包括太空飞行公司、空间创新解决方案公司、艾克苏发射公司、D-轨道公司、泰瓦克公司和萨博发射服务公司，53个载荷中49个载荷是由发射服务中介组织，这在一定程度上说明发射服务中介对于拼车发射的重要性。

解决“最后一公里”问题

拼车发射（包括搭载发射）最大的问题，就是入轨轨道不能满足所有微小卫星的需求。即便以猎鹰这类重型大型火箭的运载能力和任务能力，在2019年6月STP-2任务的发射任务中，上面级通过4次点火，将24个载荷部署到3个不同的轨道，已经达到了极限，但也很难满足所有卫星的轨道要求。对于“织女星”这类中小型火箭而言，异轨部署的能力受限更明显。

▲ 组织拼车发射服务的主要发射服务中介公司

▲ “活力骑乘”轨道转移飞行器部署卫星的示意图

在这种背景下，日本合成孔径雷达卫星创企合成视角公司在今年4月宣布，该公司放弃采用“织女星”拼车发射，改用电子号火箭在2020年底发射其斯特里克斯阿尔法卫星。该卫星作为电子号火箭的唯一载荷，能够在时间进度和目标轨道上有更大的灵活性和自主权。行星实验室公司的副总裁迈克·塞夫亚也表示，天星遥感卫星利用星链任务搭载发射之后，需要靠自己的卫星动力调整到400公里的目标轨道。

因此，拼车发射虽然能够把发射成本降下来，但是像撒豆子一样把卫星部署到轨道后，微小卫星还需要凭借自身的动力系统进行轨道调整，这对于卫星寿命而言是很大的挑战。因此，美国多家公司针对小卫星研制轨道转移飞行器，作为拼车发射服务的补充，解决卫星入轨最后精确入轨的需求。

美国创企莫门图斯公司看准了上述时机，为微小卫星研制“活力骑乘”轨道转移服务飞行器，解决拼车发射服务“最后一公里”里的问题。

“活力骑乘”采用水离子推进系统，自身总重215千克，能够将250千克以下的小卫星从国际空间站轨道转移到2000公里高度的轨道。“莫门图斯”在2020年初从太空探索技术公司预定了2020年年底的拼车发射服务后，在5、6月份陆续收到来自4家用户的14个载荷的发射订单，订单额达到4000万美元。能够快速得到用户认可，说明小卫星轨道转移服务的业务模式具有可行性。

除“莫门图斯”外，美国穆格公司和航天飞行公司的小卫星轨道转移飞行器产品也将在近期投入使用。穆格公司的小运载轨道机动飞行器类似于“活力骑乘”，能够为小卫星发射提供姿态调整、轨道倾角调整、同轨道面上多卫星不同相位部署、异面轨道部署，还可以作为上面级扩展火箭性能帮助卫星入轨，或者作为平台搭载载荷长时间留轨验证等。航天飞行公司在其次级载荷分配器基础上通过增加动力和电源系统后，改进升级为夏尔巴系列轨道转移飞行器，计划在2020年底的“猎鹰9”发射任务中进行首飞，搭载16个载荷，大部分为小卫星，还有少数几个有效载荷进行短时间的在轨试验。

微小卫星应用越来越广泛，无论是商业领域还是政府和军方，都在充分利用其灵活性和弹性，未来的数量还会出现更大幅度的增长。伴随着规模的增长，带来的是如何实现低成本、高可靠进入空间的问题。显然，无论是依靠专用的微小型火箭，还是利用搭载机会都不能从数量上满足，所以拼车发射将成为最主要的途径之一。尤其是在“最后一公里”的问题得到解决之后，拼车发射可能会越来越受到小卫星厂商的欢迎。