一网卫星发射缘何选择印度火箭

文/张晨

近日 一网公司和NSIL（新航天印度有限公司）签订了意向书，最早从2022 年起，使用印度极地轨道卫星运载火箭（PSLV）和第三代地球同步卫星运载火箭”（GSLV Mk.3）为“一网”发射卫星。

▲ 一网卫星

低地球轨道卫星碎片布撒者

作为目前和庞大的美国低轨卫星星座“星链”同时建设的另一个低轨道互联网星座，一网公司的卫星相对较少，其一期只设648 颗卫星——这也让其比“星链”星座的42000 颗卫星的争议少了许多。其一期工程一度打算部署数千颗卫星，但最后削减至648 颗，工作于12 个轨道面，每轨设49 颗业务卫星及5 颗备用卫星。

一网公司是一家成立于2012年的全球卫星通信公司，其前身为WorldVu 卫星有限公司，致力于在全球范围内提供宽带卫星互联网服务。该公司总部位于英国伦敦，在美国加利福尼亚州设有办事处并在佛罗里达州设有卫星制造工厂。

一网公司在2015 年6 月向阿里安航天公司签订了21 发联盟号运载火箭的合同，包括联盟2.1b-弗雷盖特M 运载火箭和联盟ST-B 弗雷盖特-MT 运载火箭。这些火箭在法国的库鲁航天中心、哈萨克斯坦的拜科努尔发射场、以及俄罗斯的东方发射场发射。“联盟号”在库鲁和拜科努尔发射场发射时设34 颗卫星，而在东方发射场发射时设36 颗。联盟号火箭将把卫星部署进入一条450 千米的轨道，随后卫星自行使用电推力器爬升至1200 千米轨道。同时一网公司向维珍轨道公司签订了39 次使用运载器一号小型空射运载火箭的单星发射。

最初一网公司也考虑过使用阿里安航天公司的阿里安6-2 火箭和蓝色起源公司的新格伦火箭的发射服务，但最后都未施行。

2017 年的时候，一网公司宣布第一期648 颗卫星的大部分容量已被出售，并且规划建设第二期星座。一网星座二期曾计划设置47844 颗卫星，包括在40 度倾角和55 度倾角各设36个轨道面，部署两个23040 颗卫星的网络，在87.9 度倾角轨道再部署36个轨道面总计1764 颗。但在2021 年1 月12 日，“一网”请求将两个低倾角星座的卫星数削减90%，星座方案变更为均运行于1200 千米轨道的6372 颗星。一网公司在文件中表示：“一网预计其第二阶段星座的这一修订部署计划将使其能够实现更高的最终用户吞吐量和频谱效率，同时降低资金需求，培养一网的‘负责任的空间’愿景。”

▲ 一网卫星终端

2019 年2 月27 日，联盟ST-B弗雷盖特MT 火箭发射了6 颗试验星，第一批一网星座的业务卫星则在2020年2 月发射升空。但由于新型冠状病毒肺炎爆发等原因，在未能筹集到必要的资金来完成剩余90%卫星的建造和部署后，该公司于2020 年3 月进入破产程序。同年11 月，一网公司从破产程序和重组中脱离，成立了一个新的所有权集团，由英国政府和印度跨国公司巴蒂全球领导，二方各控股42%。

▲ 在东方发射场发射36 颗一网卫星的联盟-2.1b-弗雷盖特 M 火箭

截至目前，一网星座已经完成组网352 颗（不包括6 颗试验星），预计2022 年完成第一批卫星的组网。

而在减少失控卫星造成的空间碎片方面，若卫星功能丧失但仍然可控，卫星会使用其电推进器降低轨道以满足美国宇航局的25 年离轨指标。但对于彻底损坏的卫星，由于一网卫星运行于极高的1200 千米绕地轨道，相比于美国宇航局提出的25 年内自然离轨指标，一网卫星完全不可能通过大气阻力完成离轨。这样一来，星链卫星较低的运行轨道在这方面倒是一大优势。一网公司给出的应对策略为每颗卫星携带激光雷达靶标和Altius DogTag 磁力抓取装置，若卫星失控，则可由第三方航天器对接并离轨，就是不知道一网公司肯不肯出这笔钱了。在诸多措施能够施行的情况下，一网卫星成为碎片来源的风险被确定为＜0.01，这符合美国宇航局的技术标准。

▲ 一网卫星的背面，注意其激光雷达靶标和电推

PSLV：印度人真正的新起点

印度在完成了ASLV（加大推力运载火箭）的研制后，启动了名为PSLV（极地卫星运载火箭）的研制。PSLV主要用于发射太阳同步轨道卫星，也具备高轨道任务的发射能力，但运载能力相对较弱。

印度从1978 年就开始谋划发射太阳同步轨道卫星，因为一般的地球遥感卫星都运行于该轨道。换句话说只有掌握了太阳同步轨道发射能力，航天产业才能真正发展起来。虽然ASLV是“加大推力”，但其近地轨道运载能力也只有150 千克。

而PSLV 则不同，它采用了一个很复杂的四级半构型设计。其第一级使用了巨大的S-139固体火箭发动机，最大真空推力495 吨，采用5 段式的设计，几乎达到当时印度人设计固体火箭发动机能力的极限，这是缺乏高性能液体火箭发动机的无奈之举。第二级使用1 台继承自阿里安火箭维京发动机的维卡斯发动机，使用偏二甲基肼-四氧化二氮推进剂。一般来说，好钢用在刀刃上，三级的性能要求更高，但是印度人居然又使用了固体发动机。7.6 吨的固体三级燃烧83 秒，随后使用一甲基肼燃料的第四级火箭会完成最后入轨。

PSLV 可以不安装助推器，即PSLV-CA 光杆构型。这个时候可能会发现火箭上的4 个“小助推”（CA构型是4 个，其余是2 个），其实是用于驱动固体火箭推力偏转和控制滚转的控制器，PSLV-CA 具备1.1 吨的622 千米太阳同步轨道运载能力。捆绑6 个S-9 固体助推的为标准型PSLV-G，622 千米太阳同步轨道运载能力为1.6 吨。使用加长S-12 助推器的为加强型PSLV-XL，622 千米太阳同步轨道运载能力为1.8 吨。后来印度人又研制了2 个助推的PSLV-DL和4 个助推的PSLV-QL 型，形成了运力梯度。

▲ S-139 固体火箭分段吊装

PSLV 运载火箭高44 米，芯级直径2.8 米，火箭起飞质量为320 吨（PSLV-XL），PSLV 也具备将1.3 吨载荷发送往地球静止转移轨道的能力。所以PSLV 火箭也发射过一些高轨道卫星，如印度区域导航卫星系统和曼加里安号火星探测器。

值得注意的一件事是，因为斯里哈里科塔的太阳同步轨道射向刚好被斯里兰卡所阻挡，所以PSLV 火箭需要先向东飞行，随后转弯向西南入轨，这在一定程度上损失了运载能力。如果不做这次偏航机动，PSLV-G 可以将1.6 吨载荷直接送入900 千米高的太阳同步轨道。

PSLV 火箭虽然性能不算先进，但是印度人的商业报价极低——平均一发不到3000 万美元的商业报价使得很多小型卫星选择其作为搭车的运载器。所以印度人经常会“撒土豆”，赚钱嘛，不寒碜。

GSLV Mk3——大国“重”器

作为印度下一代大推力运载火箭承上启下之作，GSLV Mk.3（第三代地球同步卫星运载火箭）运载火箭使用了全新的4 米芯级。全箭包括3 种模块：作为实际起飞级的S-200 固体火箭发动机模块，捆绑在高空点火的芯一级模块上；使用2 台维卡斯-1B偏二甲基肼-四氧化二氮火箭发动机的一级；使用1 台CE-20 液态氢-液态氧火箭发动机的二级。火箭起飞质量为640 吨，可将4 吨载荷送入地球静止转移轨道，或将10 吨载荷送入低地球轨道。

虽然这枚火箭将托起印度人的登月梦和载人航天梦，但GSLV Mk.3 火箭的运载效率实在低得惊人。很明显，印度是想学美国的大力神3 系列运载火箭，使用2 枚固体火箭起飞，高空点燃常温燃料的第一级火箭，并且使用氢氧末级完成入轨。

S-200 的性能实在并不好看，主要是因为其钢制的沉重壳体，其0.868的装药比甚至不如塞了一堆降落伞的航天飞机助推器——后者的装药比为0.881。其燃料效率也很低，海平面比冲比世界主流水平低10%以上。

二级使用的CE-20 液氢液氧火箭发动机虽然推力不错，但其比冲并不算优秀，况且不具备多次启动能力，导致印度无法沿着正东向最大化地球自转加速度而发射运载火箭，这极大的限制了其特殊轨道发射的能力。对于深空任务，在某些窗口需求下是完全无法发射的。

如果要一个对比的话，同为4 吨级静止转移轨道运载能力，运载能力4.23 吨的德尔它4M 型起飞质量仅为256 吨；而同为固推起飞+常温级高空点火，相同的起飞质量下，美国的大力神3E 型具备7 吨发送往地球同步转移轨道的运载能力，但是GSLV Mk.3 型只有4 吨。虽然它相对于印度以前的火箭来说是一个重大进步。

未来，印度打算对该火箭进行减重，将其运载能力提升至4.4 吨；随后一级换装1 台200 吨的SCE-200液氧/煤油分级燃烧火箭发动机，运载能力提升至5 吨；将二级加大后运载能力能达到5.8 吨；对S-200 进行改进后，该型号的终极运载能力可以达到6.2 吨。

GSLV-Mk.3 火箭目前完成3 次轨道级发射（D1,D2,M1)，均获得成功，包括印度的月船2 号登月航天器。未来该火箭还将发射月船3 号，及“天船”载人飞船。

疫情中的印度航天

在2020 年之前，印度的航天似乎真有一种快步发展的势头。PSLV 火箭和GSLV 火箭连续成功，登月、探火、载人航天、空间站、静止轨道光学遥感卫星、大推力氢氧发动机、分级燃烧液氧煤油火箭发动机等计划或者开始实施，或者准备实施，似乎真有一种大国崛起的感觉。但就在2020 年，新型冠状肺炎病毒肆虐全球，印度的航天停滞了。

▲ 发射EOS-01 的PSLV 运载火箭吊装S-12 助推器

▲ 运载器组装大楼中的PSLV-XL C47 运载火箭

▲ 一个厂房中的S-200 分段

▲ 用于“天船”载人飞船用L110 级维卡斯-1B发动机验证点火

▲ GSLV Mk.3 火箭发射升空

▲ 亚轨道试飞的GSLV Mk.3 运载火箭

2020 年，印度的航天发射仅有2次，2021 年也是2 次，且其中1 次并未获得成功。而更加离谱的是，由于印度的复杂社会环境和落后的基础设施建设，导致患者需要但又无法获得大量的液态氧。于是航天中心的液氧被用去治疗重症病人，某种意义上来说，印度的航天发射被疫情所中止。“月船3 号”和“天船1 号”试飞均被多次推迟，目前均不早于2022 年。SSLV 小型运载火箭的研制也是一波三折。而发射EOS-06 光学遥感卫星的PSLV 火箭自2021 年09 月11 日进场以来已超过40 天，仍未发射。GSLV Mk.3 火箭的总装更是超过两个月，进展极为缓慢，如果印度不能彻底消除新型冠状肺炎病毒的影响，由于疫情而导致的如此缓慢的发射速度，是完全无法单独完成一个巨型低轨道星群建设的。

因此，以目前印度的航天发射能力，是否有替代“联盟号”，单独执行组建大规模低地球轨道卫星星座的能力，是值得怀疑的。对于载荷运载能力来说，考虑到一网卫星一颗重150 千克，初始轨道为450 千克高度，倾角86.40°，PSLV-XL 火箭向该轨道可以一次发射14 颗以上，而GSLV Mk.3 可以投射接近50 颗。但GSLV Mk.3 火箭目前产量较低，印度人能否在严重的疫情影响下大规模发射GSLV Mk.3 火箭还是一个问题。使用PSLV 火箭的可能性较大，但一次性投射14～16 颗卫星的运载能力，同样无法担当快速组网的主力任务——发射6372 颗卫星，如全部使用PSLV 火箭，需要超过450 次。

▲ GSLV Mk.3 D2 火箭

目前尚不清楚一网公司打算选择印度运载火箭发射卫星是否和其股东“巴蒂全球”有关，还是看上了印度火箭的廉价优势。但无论怎么说，一网公司选择PSLV 和GSLV Mk.3 的发射并不像是将组网重心转给印度，更可能只是一种加速二代星座组网的方法。

反正这次只是签订了意向书，而非实际合同。印度人甚至没有过建设中型星座（如一个全球导航卫星系统）的经验，贸然参与大规模低轨道卫星网络建设，其中风险不小。

建造低轨道卫星星群的需求

顺便提几句，大规模建设低轨道卫星网络需求就一个字——快。因为小型低轨道卫星寿命有限，如果极其缓慢地进行发射，那么等最后的卫星上去后，前面的早就坏了或者再入了。因此在大规模建设低轨道卫星网的时候，要容忍失败——打几百、上千颗卫星总会出点啥问题，如果一两颗卫星出现问题，就把后续所有卫星发射全部叫停，处理故障几个月，那永远造不出大规模的低轨道星座。

其次，要将发射掌握在星座建设者的手里。比如太空探索技术公司发射“星链”，用的就是自家的猎鹰9火箭。将运载器掌握在自己手里的好处就是可以快速迭代、快速归零。当然多种运载器进行发射互相备份也是一种思路，如果将二者结合，那会是很好的组网利器。大规模低轨道卫星网络建设是极其考验发射和运作方的管理能力的，因此在某些程度上需要跳出常规思维。

为提升发射效率，对卫星的设计也需要跳出常规。最好的例子就是类似太空探索技术公司的堆叠卫星设计，现在也有一些变形堆叠，甚至“饼”式卫星。低轨道卫星需要最大限度利用整流罩空间，甚至中央承力筒也不需要，这样可以更快地加速组网。除此之外，类似太空探索技术公司使用的商业元器件、氪离子电推等，新的低轨道卫星网都可以尝试。

▲ 一种“碟”形卫星构型