拼火箭上太空，“一箭多星”是如何實(shí)現(xiàn)火箭共享的？

轉(zhuǎn)眼間，2023年已臨近尾聲，但中國(guó)航天依舊緊鑼密鼓保持著高密度發(fā)射，不斷突破，一次次交出亮眼成績(jī)單。26日，我國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭與遠(yuǎn)征一號(hào)上面級(jí)，成功發(fā)射第五十七顆、五十八顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。但一箭雙星只是“小場(chǎng)面”，早在今年6月，我國(guó)在太原衛(wèi)星發(fā)射中心使用長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭成功發(fā)射吉林一號(hào)高分06A星等41顆衛(wèi)星，刷新了我國(guó)一次發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量最多的紀(jì)錄，更是意義非凡。

圖片來(lái)源：新華社（鄭斌攝）

一箭多星，指的是一枚運(yùn)載火箭同時(shí)或先后將多枚衛(wèi)星送入預(yù)定軌道的技術(shù)。衛(wèi)星在火箭上如何“排排坐”，到站后怎樣能做到有序“下車(chē)”？我們今天就來(lái)聊聊“拼火箭”上天背后的故事。

01

高端的“食材”，往往采用樸素而優(yōu)越的“烹飪方式”

與傳統(tǒng)的單星發(fā)射相比，“一箭多星”能夠更充分地利用火箭運(yùn)載能力、提高發(fā)射效率?？此剖歉鞔蠛教炱髽I(yè)的“高端操作”，實(shí)則是應(yīng)對(duì)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈的商業(yè)航天發(fā)射市場(chǎng)，節(jié)省運(yùn)載火箭發(fā)射費(fèi)用、降低發(fā)射成本采取的常規(guī)選擇。

最早實(shí)現(xiàn)一箭多星的國(guó)家是美國(guó)。美國(guó)在1960年首次用一枚火箭發(fā)射了兩顆衛(wèi)星，在1961年又實(shí)現(xiàn)了一箭三星。接著，蘇聯(lián)多次用一枚火箭發(fā)射8顆衛(wèi)星。隨后，歐洲航天局也掌握了這種發(fā)射技術(shù)。中國(guó)在1981年9月成功地用一枚“風(fēng)暴一號(hào)”運(yùn)載火箭將一組三顆“實(shí)踐二號(hào)”衛(wèi)星送入地球軌道，成為第四個(gè)獨(dú)立掌握一箭多星發(fā)射技術(shù)的國(guó)家。印度和日本則分別于2008年和2009年實(shí)現(xiàn)了一箭多星發(fā)射。

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這些早期的一箭多星發(fā)射任務(wù)，基本上都是服務(wù)于政府的專(zhuān)用載荷，其基本的特點(diǎn)就是在研制之初，衛(wèi)星載荷就與運(yùn)載火箭方面進(jìn)行了詳細(xì)的溝通協(xié)調(diào)，雙方為了任務(wù)的圓滿(mǎn)成功都進(jìn)行了相應(yīng)的適應(yīng)性設(shè)計(jì)，包括額外的支架、承力結(jié)構(gòu)等，但這些結(jié)構(gòu)一般都不是通用性的，這次任務(wù)完成之后就沒(méi)有用武之地了。

隨著通信衛(wèi)星星座的興起，航天領(lǐng)域又有了多次重復(fù)進(jìn)行同樣的一箭多星發(fā)射的需求，比如銥星、全球星等。由于批量大，運(yùn)載火箭為了服務(wù)好這些大客戶(hù)，一般會(huì)為它們定制專(zhuān)門(mén)的衛(wèi)星支架甚至是上面級(jí)。比如我國(guó)的長(zhǎng)征二號(hào)丙運(yùn)載火箭當(dāng)年為了發(fā)射銥星，就研制增加了上面級(jí)并聯(lián)雙星智能分配器。

再后來(lái)出現(xiàn)了微小衛(wèi)星，這些衛(wèi)星重量輕、體積小、投資少，大多用于技術(shù)研究，更希望能以低廉的價(jià)格進(jìn)入太空，因此運(yùn)載火箭常常在主載荷的衛(wèi)星支架或火箭末級(jí)上留一個(gè)附加的位置，將其“捎”到太空。這種方式被稱(chēng)為“搭載”。搭載衛(wèi)星在研制進(jìn)度、發(fā)射軌道、環(huán)境要求上完全服從于主載荷，沒(méi)有一點(diǎn)話語(yǔ)權(quán)。可以說(shuō)為了進(jìn)入太空，活成了“卑微的小透明”。

近年來(lái)隨著小衛(wèi)星市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展，帶來(lái)了小衛(wèi)星發(fā)射需求的快速上升，小衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量占到了每年衛(wèi)星發(fā)射總數(shù)的絕大部分。據(jù)歐洲咨詢(xún)公司在2021年所作的預(yù)測(cè)，2021～2030 年全球預(yù)計(jì)將累計(jì)發(fā)射13912顆微小衛(wèi)星，平均每顆衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量?jī)H180千克。在這種形勢(shì)下，火箭拼單開(kāi)始大行其道，一箭多星的規(guī)模也越來(lái)越大。印度于2017年實(shí)現(xiàn)了一箭104星發(fā)射，美國(guó)SpaceX公司又于2021年創(chuàng)造了一箭143星的紀(jì)錄。

大量小衛(wèi)星拼單所帶來(lái)的發(fā)射組織困難，催生出了多個(gè)專(zhuān)門(mén)搞“拼單”的中介公司。他們需要開(kāi)展大量客戶(hù)協(xié)調(diào)工作，解決部分客戶(hù)拖期變動(dòng)對(duì)整體進(jìn)度的影響。其中著名的有德國(guó)柏林的Exolaunch、意大利的D-Orbit 和美國(guó)西雅圖的Spaceflight等發(fā)射經(jīng)紀(jì)公司。

當(dāng)?shù)貢r(shí)間12月23日，SpaceX成功發(fā)射并回收了23顆V2mini Starlink衛(wèi)星（G-32），這是他們首次使用復(fù)用的火箭，打破了此前的紀(jì)錄。

圖片來(lái)源：SpaceX公司官方賬號(hào)

為了搶奪小衛(wèi)星市場(chǎng)，SpaceX公司還祭出了“航班化”的絕招，即像高鐵一樣，不管是否湊齊所有買(mǎi)票的客戶(hù)，都準(zhǔn)點(diǎn)發(fā)車(chē)，提高發(fā)射的確定性。另外增加發(fā)射頻次，誤點(diǎn)的客戶(hù)也不用慌亂，加點(diǎn)錢(qián)還可以趕下一班。這樣SpaceX公司就成為絕大多數(shù)小衛(wèi)星客戶(hù)的首選，奠定了自己的優(yōu)勢(shì)地位。大量的客戶(hù)也使得航班化有了切實(shí)的保證，反過(guò)來(lái)進(jìn)一步強(qiáng)化這一優(yōu)勢(shì)地位。試想，你是會(huì)選擇準(zhǔn)點(diǎn)的班車(chē)，還是非要等客滿(mǎn)才出發(fā)的“黑車(chē)”？

02

衛(wèi)星排排坐，不僅要坐得下，還要“坐得舒服”

實(shí)現(xiàn)一箭多星，衛(wèi)星數(shù)量多少不是關(guān)鍵，如何讓所有的衛(wèi)星“乘客”都有一個(gè)舒適的座位，不至于在發(fā)射過(guò)程中發(fā)生磕碰、擠壓，能夠安全地抵達(dá)太空，才更凸顯技術(shù)含量。

一次性要將那么多顆衛(wèi)星安全順利地送入軌道，首先要解決的是衛(wèi)星在整流罩內(nèi)的布局問(wèn)題，不僅要保證“坐得下”，還要“坐得舒服”。為此，需要根據(jù)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)、任務(wù)需求，優(yōu)化“座位”布局，

為了能夠給衛(wèi)星以堅(jiān)實(shí)的支撐，將火箭推力結(jié)結(jié)實(shí)實(shí)地傳給衛(wèi)星，一般火箭會(huì)安裝一個(gè)圓錐形的衛(wèi)星支架，下面直徑較大的一端連接到火箭末級(jí)的圓柱外殼上，上面直徑較小的一端連接衛(wèi)星的星箭對(duì)接框。

單獨(dú)享受火箭發(fā)射任務(wù)時(shí)，衛(wèi)星可以獨(dú)占火箭的衛(wèi)星支架、包帶等解鎖分離裝置。然而對(duì)于一箭多星來(lái)說(shuō)，“僧多粥少”，一個(gè)對(duì)接框遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。這些衛(wèi)星的體積、重量大小不一，形狀各有不同，需要對(duì)火箭整流罩內(nèi)的空間進(jìn)行有效約束、分配和利用，才能讓衛(wèi)星順利搭載和分離。

這就需要通過(guò)轉(zhuǎn)換裝置，轉(zhuǎn)換出多個(gè)不同的衛(wèi)星接口，供所有的衛(wèi)星進(jìn)行對(duì)接安裝。這個(gè)裝置一般被稱(chēng)為“多星分配器”。分配器有多種形式，如果發(fā)射類(lèi)型相似的衛(wèi)星，可采用中心承力筒式分配器或盤(pán)式分配器，也可以采用錐型分配器，便于衛(wèi)星向外釋放。

在多星分配器上，衛(wèi)星根據(jù)各自特性的不同，有的是端坐在頂上，有的是側(cè)掛在壁上，還有的包裝在釋放裝置內(nèi)，保證大家各得其所，都能夠經(jīng)受住火箭發(fā)射時(shí)的飛行環(huán)境，安全地進(jìn)入到太空。

03

迎來(lái)分離時(shí)刻：“解開(kāi)安全帶，安全下車(chē)！”

火箭將衛(wèi)星安全送入太空之后，還需要完成最后一道關(guān)鍵工序，那就是將衛(wèi)星“扶下來(lái)”，送它飛向自己的應(yīng)許之地。這就需要掌握穩(wěn)定可靠的“星箭分離”技術(shù)，衛(wèi)星從多星分配器上分離出來(lái)，不能相互碰撞，還需選擇最佳的飛行路線和確定最佳分離時(shí)刻，使這么多衛(wèi)星在各自的軌道上運(yùn)行。另外，還必須考慮火箭在逐步分離衛(wèi)星的時(shí)候，火箭結(jié)構(gòu)和重心發(fā)生變化所帶來(lái)的影響，避免火箭自身姿態(tài)失控與衛(wèi)星發(fā)生碰撞。

衛(wèi)星數(shù)量越多，衛(wèi)星從火箭分離出去后在軌道飛行碰撞的風(fēng)險(xiǎn)就越大。為了避免出現(xiàn)擁擠碰撞，一般將多星分配器上的衛(wèi)星按層分組，衛(wèi)星按組進(jìn)行依次分離。每組衛(wèi)星分離之后，火箭通過(guò)開(kāi)啟反推火箭拉開(kāi)自身與剛剛釋放出去的衛(wèi)星之間的距離，然后開(kāi)啟下一組衛(wèi)星的分離，直到最后。通過(guò)這種方法，保障了彼此之間分離的安全性。

長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭飛行840秒左右，41顆衛(wèi)星開(kāi)始陸續(xù)與火箭分離。

圖片來(lái)源：央視新聞截屏

一箭多星分離方式的選擇對(duì)于衛(wèi)星的分離準(zhǔn)確率和安全影響很大，需要考慮到不同衛(wèi)星分離的順序、時(shí)間、角度和速度等諸多因素。同時(shí)，由于分離過(guò)程中會(huì)受到姿態(tài)穩(wěn)定、地球引力和空氣阻力等多重因素的干擾，需要對(duì)分離過(guò)程實(shí)現(xiàn)進(jìn)行大量的仿真計(jì)算，在實(shí)際過(guò)程中精確控制各種動(dòng)作，以保證衛(wèi)星分離后的空間位置和軌道參數(shù)的精確和安全。

隨著世界各國(guó)衛(wèi)星技術(shù)不斷發(fā)展，激活“衛(wèi)星快遞”的商業(yè)新活力，未來(lái)更多人類(lèi)進(jìn)入太空的圖景也正在被描畫(huà)勾勒。

本文作者：于遠(yuǎn)航 北京宇航系統(tǒng)工程研究所 高級(jí)工程師

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