當(dāng)前視訊！一箭多星頻現(xiàn)，需要克服哪些技術(shù)挑戰(zhàn)？

最近，各國(guó)火箭發(fā)射頻繁出現(xiàn)一箭多星的情況，那么一箭多星發(fā)射有什么好處？需要克服哪些技術(shù)挑戰(zhàn)？未來(lái)，一箭多星又會(huì)應(yīng)用哪些新技術(shù)來(lái)改進(jìn)提升呢？

降低成本 加快組網(wǎng)

所謂“一箭多星”，是用一枚運(yùn)載火箭將兩顆以上的衛(wèi)星發(fā)射至預(yù)定軌道。這其實(shí)是“軍轉(zhuǎn)民”的成果，源于彈道導(dǎo)彈的多彈頭技術(shù)，是美國(guó)在20世紀(jì)50年代末為突破蘇聯(lián)反導(dǎo)防御系統(tǒng)、提高彈道導(dǎo)彈突防能力而首先提出的。

【資料圖】

1960年，美國(guó)首次用一枚火箭發(fā)射了兩顆衛(wèi)星，次年又成功發(fā)射了“一箭三星”。隨后，世界主要航天國(guó)家和組織相繼在這個(gè)領(lǐng)域取得突破，目前美國(guó)、俄羅斯、歐空局、中國(guó)、印度和日本均具備一箭多星發(fā)射能力。

近年來(lái)，大量發(fā)射中小型衛(wèi)星、組建全球通信與導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的需求不斷增加，星座組網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，使得一箭多星發(fā)射越來(lái)越頻繁，單次衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量也不斷創(chuàng)新高。2021年美國(guó)SpaceX公司利用獵鷹9火箭成功發(fā)射了“一箭143星”，刷新了世界紀(jì)錄。

堆疊式平板型衛(wèi)星分離部署示意圖

那么一箭多星發(fā)射有哪些好處？

一方面，它可以充分發(fā)揮火箭的運(yùn)載能力，降低衛(wèi)星發(fā)射成本。傳統(tǒng)火箭采用一箭一星的發(fā)射方式，由于衛(wèi)星設(shè)計(jì)質(zhì)量不可能與火箭運(yùn)力完全一致，不可避免地造成火箭運(yùn)載能力浪費(fèi)。

一箭多星模式可以根據(jù)火箭運(yùn)力來(lái)合理選擇搭載對(duì)象，增加衛(wèi)星發(fā)射機(jī)會(huì)，降低單顆衛(wèi)星的平均發(fā)射成本。尤其是微小衛(wèi)星和微納衛(wèi)星，通常不可能作為單獨(dú)發(fā)射的主載荷，只能作為其他發(fā)射任務(wù)的搭載載荷入軌，一箭多星發(fā)射顯然為諸多小衛(wèi)星提供了“太空拼車(chē)”的機(jī)會(huì)。

另一方面，一箭多星發(fā)射可以加快星座構(gòu)建速度。對(duì)于由多顆衛(wèi)星組成的星座來(lái)說(shuō)，如果采用常規(guī)的一箭一星發(fā)射模式，可能需要很長(zhǎng)時(shí)間才能完成整體組網(wǎng)，難以及時(shí)充分發(fā)揮效能。尤其是近年來(lái)多方提出了擁有成千上萬(wàn)顆衛(wèi)星的巨型星座建設(shè)規(guī)劃，對(duì)組網(wǎng)時(shí)間、綜合效益更加看重。而采用一箭多星發(fā)射方式，小型星座通過(guò)一次或者幾次發(fā)射就能完成整體組網(wǎng)，效益顯著提升，巨型星座則能大幅縮短組網(wǎng)時(shí)間，更使得建設(shè)上萬(wàn)顆衛(wèi)星的超大規(guī)模星座成為可能。

多星部署 難度不小

依據(jù)部署方式不同，一箭多星發(fā)射可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是將所有載荷發(fā)射到同一軌道；另一類(lèi)是分別將不同的衛(wèi)星發(fā)射到各自的軌道或同一軌道面不同相位處。

顯然，第一類(lèi)任務(wù)對(duì)于軌道高度及軌道相位的精確性要求不高，火箭末級(jí)在特定的軌道上將衛(wèi)星一次或逐次放出即可。關(guān)鍵是要避免各個(gè)載荷釋放后出現(xiàn)碰撞。這就需要設(shè)計(jì)合理的分離策略，讓每顆衛(wèi)星的分離時(shí)間和分離速度各不相同，從而使衛(wèi)星們逐漸安全地“飄遠(yuǎn)”。2017年印度火箭實(shí)現(xiàn)了“一箭104星”發(fā)射，就屬于這種情況。

第二類(lèi)任務(wù)對(duì)于軌道高度或者軌道相位有較高的要求。在這種情況下執(zhí)行一箭多星發(fā)射任務(wù)，運(yùn)載火箭必須配備先進(jìn)的上面級(jí)，通過(guò)上面級(jí)多次點(diǎn)火、起動(dòng)，機(jī)動(dòng)至不同軌道高度處或者同一軌道面不同相位處，完成衛(wèi)星分離及軌道部署，以滿(mǎn)足不同衛(wèi)星入軌的高度或相位要求。

一般來(lái)說(shuō)，采用上面級(jí)進(jìn)行多星發(fā)射及軌道部署，能夠充分利用上面級(jí)的較強(qiáng)機(jī)動(dòng)性，減少多星部署時(shí)間，降低了對(duì)衛(wèi)星自身機(jī)動(dòng)性的要求。但相比傳統(tǒng)的火箭末級(jí)，上面級(jí)需要具備多次起動(dòng)、長(zhǎng)時(shí)間在軌性能，研制團(tuán)隊(duì)需掌握一定技術(shù)能力。

此外，一箭多星發(fā)射及部署成功，少不了衛(wèi)星分配器的功勞，其設(shè)計(jì)也是關(guān)鍵因素。所謂“衛(wèi)星分配器”，主要用于提供衛(wèi)星在火箭整流罩內(nèi)的安裝布局位置，形象地說(shuō)，就是向衛(wèi)星提供“座椅”。

當(dāng)規(guī)模相當(dāng)?shù)亩囝w衛(wèi)星發(fā)射時(shí)，如導(dǎo)航衛(wèi)星、通信衛(wèi)星等，每顆衛(wèi)星的質(zhì)量、尺寸基本相同，可將多顆衛(wèi)星分別懸掛在一個(gè)大圓筒的圓周側(cè)壁上，這稱(chēng)作中心承力筒式衛(wèi)星分配器，也可以放置在一個(gè)大圓盤(pán)上，即圓盤(pán)式衛(wèi)星分配器。

當(dāng)多顆質(zhì)量、尺寸差異較大的衛(wèi)星搭載發(fā)射時(shí)，往往有一顆是主任務(wù)衛(wèi)星，其余多顆是小型搭載衛(wèi)星。主任務(wù)衛(wèi)星一般位于衛(wèi)星分配器頂端，小型搭載衛(wèi)星在衛(wèi)星分配器的側(cè)壁或

下方四周。

研制團(tuán)隊(duì)需要根據(jù)多顆衛(wèi)星的布局來(lái)設(shè)計(jì)合理的分離方案，按照預(yù)定分離時(shí)序準(zhǔn)時(shí)解鎖，使得衛(wèi)星一顆接一顆被分離彈簧推離火箭末級(jí)或者上面級(jí)，實(shí)現(xiàn)安全“下車(chē)”。

此外，一箭多星發(fā)射還有其他實(shí)現(xiàn)方式，比如可以用飛船將微小衛(wèi)星運(yùn)送至空間站，在空間站上釋放部署多顆衛(wèi)星。國(guó)際空間站上安裝有專(zhuān)門(mén)的小衛(wèi)星釋放裝置，可以將衛(wèi)星向國(guó)際空間站運(yùn)行的反方向“彈出”進(jìn)行釋放。航天員也可以在太空行走時(shí)徒手釋放微納衛(wèi)星。

堆疊發(fā)射 未來(lái)方向

近年來(lái)，美國(guó)SpaceX公司為了部署由上萬(wàn)顆衛(wèi)星組成的星鏈星座，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了新的一箭多星發(fā)射模式——堆疊式衛(wèi)星發(fā)射。

由于星鏈衛(wèi)星采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化平板型結(jié)構(gòu)，只需利用承力支柱接口進(jìn)行堆疊式安裝連接，眾多衛(wèi)星就像薯片一樣緊緊地疊放在一起。

另外，星鏈衛(wèi)星采用了不同尋常的分離方式，即通過(guò)緩慢旋轉(zhuǎn)火箭末級(jí)，使得一整堆“打包”的星鏈衛(wèi)星以一定的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度逐漸脫離火箭末級(jí)，拋撒到空間軌道上。因?yàn)檫@些衛(wèi)星本是堆疊狀態(tài)，釋放前角速度相同，但旋轉(zhuǎn)半徑不同，導(dǎo)致在分離釋放時(shí)每顆衛(wèi)星都有微小的速度差，上方的衛(wèi)星初始速度快，下方的衛(wèi)星初始速度慢。隨著時(shí)間推移，這些衛(wèi)星就會(huì)拉開(kāi)距離，像是在桌上將一副撲克牌攤開(kāi)。

這種堆疊式衛(wèi)星發(fā)射方式是一箭多星技術(shù)發(fā)展的重大突破，不需要單獨(dú)為每顆衛(wèi)星配置衛(wèi)星分配器，從而節(jié)約了載荷質(zhì)量，還能更加充分地利用運(yùn)載火箭整流罩內(nèi)部空間，提高了發(fā)射效率。隨著低軌通信、遙感星座任務(wù)需求不斷增長(zhǎng)，相信堆疊式衛(wèi)星發(fā)射將是未來(lái)一箭多星技術(shù)的重要發(fā)展方向。（作者：張柳 把關(guān)專(zhuān)家：中國(guó)航天科技集團(tuán)科技委副主任 江帆）

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