轉眼間，2023年已臨近尾聲，但中國航天依舊緊鑼密鼓保持著(zhù)高密度發(fā)射，不斷突破，一次次交出亮眼成績(jì)單。26日，我國在西昌衛星發(fā)射中心用長(cháng)征三號乙運載火箭與遠征一號上面級，成功發(fā)射第五十七顆、五十八顆北斗導航衛星。但一箭雙星只是“小場(chǎng)面”，早在今年6月，我國在太原衛星發(fā)射中心使用長(cháng)征二號丁運載火箭成功發(fā)射吉林一號高分06A星等41顆衛星，刷新了我國一次發(fā)射衛星數量最多的紀錄，更是意義非凡。

圖片來(lái)源：新華社（鄭斌攝）

一箭多星，指的是一枚運載火箭同時(shí)或先后將多枚衛星送入預定軌道的技術(shù)。衛星在火箭上如何“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”

與傳統的單星發(fā)射相比，“一箭多星”能夠更充分地利用火箭運載能力、提高發(fā)射效率?？此剖歉鞔蠛教炱髽I(yè)的“高端操作”，實(shí)則是應對競爭越來(lái)越激烈的商業(yè)航天發(fā)射市場(chǎng)，節省運載火箭發(fā)射費用、降低發(fā)射成本采取的常規選擇。

最早實(shí)現一箭多星的國家是美國。美國在1960年首次用一枚火箭發(fā)射了兩顆衛星，在1961年又實(shí)現了一箭三星。接著(zhù)，蘇聯(lián)多次用一枚火箭發(fā)射8顆衛星。隨后，歐洲航天局也掌握了這種發(fā)射技術(shù)。中國在1981年9月成功地用一枚“風(fēng)暴一號”運載火箭將一組三顆“實(shí)踐二號”衛星送入地球軌道，成為第四個(gè)獨立掌握一箭多星發(fā)射技術(shù)的國家。印度和日本則分別于2008年和2009年實(shí)現了一箭多星發(fā)射。

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，衛星載荷就與運載火箭方面進(jìn)行了詳細的溝通協(xié)調，雙方為了任務(wù)的圓滿(mǎn)成功都進(jìn)行了相應的適應性設計，包括額外的支架、承力結構等，但這些結構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(zhù)通信衛星星座的興起，航天領(lǐng)域又有了多次重復進(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)的衛星支架甚至是上面級。比如我國的長(cháng)征二號丙運載火箭當年為了發(fā)射銥星，就研制增加了上面級并聯(lián)雙星智能分配器。

再后來(lái)出現了微小衛星，這些衛星重量輕、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，因此運載火箭常常在主載荷的衛星支架或火箭末級上留一個(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(huà)語(yǔ)權?？梢哉f(shuō)為了進(jìn)入太空，活成了“卑微的小透明”。

近年來(lái)隨著(zhù)小衛星市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展，帶來(lái)了小衛星發(fā)射需求的快速上升，小衛星發(fā)射數量占到了每年衛星發(fā)射總數的絕大部分。據歐洲咨詢(xún)公司在2021年所作的預測，2021～2030 年全球預計將累計發(fā)射13912顆微小衛星，平均每顆衛星發(fā)射質(zhì)量?jì)H180千克。在這種形勢下，火箭拼單開(kāi)始大行其道，一箭多星的規模也越來(lái)越大。印度于2017年實(shí)現了一箭104星發(fā)射，美國SpaceX公司又于2021年創(chuàng )造了一箭143星的紀錄。

大量小衛星拼單所帶來(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)調工作，解決部分客戶(hù)拖期變動(dòng)對整體進(jìn)度的影響。其中著(zhù)名的有德國柏林的Exolaunch、意大利的D-Orbit 和美國西雅圖的Spaceflight等發(fā)射經(jīng)紀公司。

當地時(shí)間12月23日，SpaceX成功發(fā)射并回收了23顆V2mini Starlink衛星（G-32），這是他們首次使用復用的火箭，打破了此前的紀錄。

圖片來(lái)源：SpaceX公司官方賬號

為了搶奪小衛星市場(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小衛星客戶(hù)的首選，奠定了自己的優(yōu)勢地位。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)一步強化這一優(yōu)勢地位。試想，你是會(huì )選擇準點(diǎn)的班車(chē)，還是非要等客滿(mǎn)才出發(fā)的“黑車(chē)”？

02

衛星排排坐，不僅要坐得下，還要“坐得舒服”

實(shí)現一箭多星，衛星數量多少不是關(guān)鍵，如何讓所有的衛星“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，能夠安全地抵達太空，才更凸顯技術(shù)含量。

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

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

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

這就需要通過(guò)轉換裝置，轉換出多個(gè)不同的衛星接口，供所有的衛星進(jìn)行對接安裝。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，便于衛星向外釋放。

在多星分配器上，衛星根據各自特性的不同，有的是端坐在頂上，有的是側掛在壁上，還有的包裝在釋放裝置內，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，那就是將衛星“扶下來(lái)”，送它飛向自己的應許之地。這就需要掌握穩定可靠的“星箭分離”技術(shù)，衛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(xiàn)和確定最佳分離時(shí)刻，使這么多衛星在各自的軌道上運行。另外，還必須考慮火箭在逐步分離衛星的時(shí)候，火箭結構和重心發(fā)生變化所帶來(lái)的影響，避免火箭自身姿態(tài)失控與衛星發(fā)生碰撞。

衛星數量越多，衛星從火箭分離出去后在軌道飛行碰撞的風(fēng)險就越大。為了避免出現擁擠碰撞，一般將多星分配器上的衛星按層分組，衛星按組進(jìn)行依次分離。每組衛星分離之后，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星之間的距離，然后開(kāi)啟下一組衛星的分離，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(cháng)征二號丁運載火箭飛行840秒左右，41顆衛星開(kāi)始陸續與火箭分離。

圖片來(lái)源：央視新聞截屏

一箭多星分離方式的選擇對于衛星的分離準確率和安全影響很大，需要考慮到不同衛星分離的順序、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)穩定、地球引力和空氣阻力等多重因素的干擾，需要對分離過(guò)程實(shí)現進(jìn)行大量的仿真計算，在實(shí)際過(guò)程中精確控制各種動(dòng)作，以保證衛星分離后的空間位置和軌道參數的精確和安全。

隨著(zhù)世界各國衛星技術(shù)不斷發(fā)展，激活“衛星快遞”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：于遠航 北京宇航系統工程研究所 高級工程師

出品：科普中國

監制：中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、中科數創(chuàng )（北京）數字傳媒有限公司

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