轉(zhuǎn)眼間，2023年已臨近尾聲，但中國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單。26日，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長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(wèi)星。但一箭雙星只是“小場面”，早在今年6月，我國在太原衛(wèi)星發(fā)射中心使用長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(wèi)星，刷新了我國一次發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量最多的紀錄，更是意義非凡。

圖片來源：新華社（鄭斌攝）

一箭多星，指的是一枚運載火箭同時或先后將多枚衛(wèi)星送入預定軌道的技術(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”？我們今天就來聊聊“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載能力、提高發(fā)射效率。看似是各大航天企業(yè)的“高端操作”，實則是應對競爭越來越激烈的商業(yè)航天發(fā)射市場，節(jié)省運載火箭發(fā)射費用、降低發(fā)射成本采取的常規(guī)選擇。

最早實現(xiàn)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(wèi)星，在1961年又實現(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)。中國在1981年9月成功地用一枚“風暴一號”運載火箭將一組三顆“實踐二號”衛(wèi)星送入地球軌道，成為第四個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年實現(xiàn)了一箭多星發(fā)射。

這些早期的一箭多星發(fā)射任務，基本上都是服務于政府的專用載荷，其基本的特點就是在研制之初，衛(wèi)星載荷就與運載火箭方面進行了詳細的溝通協(xié)調(diào)，雙方為了任務的圓滿成功都進行了相應的適應性設(shè)計，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，這次任務完成之后就沒有用武之地了。

隨著通信衛(wèi)星星座的興起，航天領(lǐng)域又有了多次重復進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，運載火箭為了服務好這些大客戶，一般會為它們定制專門的衛(wèi)星支架甚至是上面級。比如我國的長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格進入太空，因此運載火箭常常在主載荷的衛(wèi)星支架或火箭末級上留一個附加的位置，將其“捎”到太空。這種方式被稱為“搭載”。搭載衛(wèi)星在研制進度、發(fā)射軌道、環(huán)境要求上完全服從于主載荷，沒有一點話語權(quán)?？梢哉f為了進入太空，活成了“卑微的小透明”。

近年來隨著小衛(wèi)星市場的蓬勃發(fā)展，帶來了小衛(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(wèi)星，平均每顆衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量僅180千克。在這種形勢下，火箭拼單開始大行其道，一箭多星的規(guī)模也越來越大。印度于2017年實現(xiàn)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(wèi)星拼單所帶來的發(fā)射組織困難，催生出了多個專門搞“拼單”的中介公司。他們需要開展大量客戶協(xié)調(diào)工作，解決部分客戶拖期變動對整體進度的影響。其中著名的有德國柏林的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?shù)貢r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用的火箭，打破了此前的紀錄。

圖片來源：SpaceX公司官方賬號

為了搶奪小衛(wèi)星市場，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票的客戶，都準點發(fā)車，提高發(fā)射的確定性。另外增加發(fā)射頻次，誤點的客戶也不用慌亂，加點錢還可以趕下一班。這樣SpaceX公司就成為絕大多數(shù)小衛(wèi)星客戶的首選，奠定了自己的優(yōu)勢地位。大量的客戶也使得航班化有了切實的保證，反過來進一步強化這一優(yōu)勢地位。試想，你是會選擇準點的班車，還是非要等客滿才出發(fā)的“黑車”？

02

衛(wèi)星排排坐，不僅要坐得下，還要“坐得舒服”

實現(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”都有一個舒適的座位，不至于在發(fā)射過程中發(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(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)、任務需求，優(yōu)化“座位”布局，

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

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

這就需要通過轉(zhuǎn)換裝置，轉(zhuǎn)換出多個不同的衛(wèi)星接口，供所有的衛(wèi)星進行對接安裝。這個裝置一般被稱為“多星分配器”。分配器有多種形式，如果發(fā)射類型相似的衛(wèi)星，可采用中心承力筒式分配器或盤式分配器，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)射時的飛行環(huán)境，安全地進入到太空。

03

迎來分離時刻：“解開安全帶，安全下車！”

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”，送它飛向自己的應許之地。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，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刻，使這么多衛(wèi)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(wèi)星的時候，火箭結(jié)構(gòu)和重心發(fā)生變化所帶來的影響，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險就越大。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)星按組進行依次分離。每組衛(wèi)星分離之后，火箭通過開啟反推火箭拉開自身與剛剛釋放出去的衛(wèi)星之間的距離，然后開啟下一組衛(wèi)星的分離，直到最后。通過這種方法，保障了彼此之間分離的安全性。

長征二號丁運載火箭飛行840秒左右，41顆衛(wèi)星開始陸續(xù)與火箭分離。

圖片來源：央視新聞截屏

一箭多星分離方式的選擇對于衛(wèi)星的分離準確率和安全影響很大，需要考慮到不同衛(wèi)星分離的順序、時間、角度和速度等諸多因素。同時，由于分離過程中會受到姿態(tài)穩(wěn)定、地球引力和空氣阻力等多重因素的干擾，需要對分離過程實現(xiàn)進行大量的仿真計算，在實際過程中精確控制各種動作，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，未來更多人類進入太空的圖景也正在被描畫勾勒。

本文作者：于遠航 北京宇航系統(tǒng)工程研究所 高級工程師

出品：科普中國

監(jiān)制：中國科學技術(shù)出版社有限公司、中科數(shù)創(chuàng)（北京）數(shù)字傳媒有限公司

歡迎掃碼關(guān)注深i科普！

我們將定期推出

公益、免費、優(yōu)惠的科普活動和科普好物！