小衛星發射的可靠性

+ 張雪松/squirrel

小衛星發射的可靠性

+ 張雪松/squirrel

隨著小衛星產業的迅猛發展，小衛星發射領域也開始駛入快車道，不僅涌現出一大批小型/超小型運載火箭，還出現了空射運載火箭甚至可重復使用運載火箭等新概念。新一代小衛星發射工具的出現，有望解決現在小衛星發射中費用過高和性能不足的問題，但另一個問題也隨著付出水面：這些新興小衛星發射工具是否可靠呢？

不容忽視的可靠性問題

商業航天尤其是小衛星發射中，運載火箭提供商一貫強調物美價廉等因素，但運載火箭的可靠性同樣是不得不重視的核心問題，尤其是商業航天在一路高歌猛進之后，已經遭到了接二連三的打擊：2014年10月軌道科學公司的安塔瑞斯火箭發射失敗，同月維珍銀河公司的太空船二號墜毀，2015年太空探索技術公司的獵鷹九號火箭發射失敗。

商業航天發射的失敗，對小衛星發射并非僅僅是個教訓。搭載發射一直到現在也是小衛星尤其是納衛星發射的主要方式，而軌道科學公司和太空探索技術公司的連續失敗，對微納衛星的發射規模造成了毀滅性的打擊。美國SpaceWorks公司曾預測2015年1到50千克的微納衛星發射數量有望達到200多顆，但安塔瑞斯和獵鷹九號火箭先后發生爆炸事故后，這兩種微納衛星主要的搭載運載工具都暫時停止發射，截止2015年8月僅僅發射了不到50顆微納衛星。雖然2015年微納衛星發射數量劇減，有過于依賴安塔瑞斯和獵鷹九號火箭搭載的特殊因素，但也提醒我們即使對廉價的小衛星和微納衛星來說，可靠性仍是選擇發射工具的一個重要因素。

小衛星發射目前主要采用小型火箭直接發射、中型火箭多星發射和大中型搭載發射方式等發射方式。即使是小型運載火箭發射，為了充分發揮運力一般也會使用一箭多星發射方式，如軌道通訊公司的第一代軌道通訊系統就是使用空射的飛馬座小型運載火箭一箭多星部署的，至于現有的第聶伯河火箭、聯盟火箭或是未來即將用于發射小衛星的獵鷹九號中型火箭，更是會選擇一箭多星發射。一箭多星發射方式提高了單次發射失敗帶來的損失，即使小衛星相對廉價，也不可能承擔得起成批損失的代價。運載工具的可靠性和發射成功率，仍是小衛星市場上選擇發射工具時關注的核心問題之一。新一代小衛星運載工具在追求降低發射成本的同時，必須同時保證足夠的發射成功率，才能在小衛星發射市場上生存下來。

新一代運載工具的可靠性

新一代運載工具即將參與小衛星發射市場的競爭，它們的賣點首先就是廉價。無論是資格較老的軌道科學公司或是太空探索技術公司提供的搭載發射，還是新興的螢火蟲空間系統和火箭實驗室等創新性公司提供的小型運載火箭，或是美國空軍和美國國防先進研究項目局投資開發的快速響應發射小火箭，以及維珍銀河等公司的發射器系列空射火箭，都十分強調發射價格的低廉。我國的長征六號、快舟一號等小型運載火箭，同樣十分強調降低發射成本。面對強調廉價的新一代小衛星運載工具，或許會有很多人疑惑是否“便宜沒好貨”，其實這是一個想當然的誤解。

一般地說，產品的高可靠性需要高投入，這不僅意味著在研制過程中要高標準，在制造、檢測和維護過程中也需要嚴要求。不過凡事也不可一概而論，隨著技術的進步和經驗的積累，即使在高投入高風險的航天領域，也可以用更低的投入獲得足夠的可靠性，新一代小衛星運載工具的可靠性，正是建立在航天工業過去幾十年里研制生產技術不斷進步和設計經驗日益豐富的基礎上的。

隨著設計經驗的豐富和技術的進步，現代運載火箭的設計已經相當成熟，如果不過分追求高性能的話，火箭設計并沒有早期那樣的挑戰性難度。軌道科學公司成立后將固體洲際導彈改進為小型固體運載火箭，火箭的研制速度和發射成功率都相當出色，其難度與美國20世紀50年代研制固體彈道導彈的開創性的工作不可同日而語。現代設計制造中早已做到了計算機輔助設計仿真和三維數字化協同研制，不僅設計過程提前考慮工藝實現，而且做到三維數字模型直接下廠制造，降低了火箭研制的難度。以3D打印為代表的新工藝的出現，更是降低了火箭復雜部件制造的難度，并大大提高了相關分系統的可靠性。小衛星發射市場上涌現的新一代運載火箭，并沒有像土星五號火箭或是航天飛機那樣追求性能極致，而是借鑒航天工業幾十年的火箭研制經驗和設計，用成熟技術搭配組合的產物。正因為如此，這些小衛星發射工具具有較高甚至更好的固有設計可靠性。

火箭要發展，動力要先行。以美國的螢火蟲α火箭為例，它的液氧甲烷發動機推力僅有44.5千牛/4.5噸，現代航天工業研制這種小型發動機早已輕而易舉；螢火蟲空間系統公司雖然是新興的小公司，但它的設計師和工程師們也并非剛出校門進行萬眾創新的新手，其中甚至有參與航天飛機主發動機（SSME）預燃室設計改進的資深專家；螢火蟲α的火箭發動機還使用了最簡單也是最可靠的擠壓循環，它的固有可靠性甚至要遠高于大多數專業制造商生產的、歷經多次發射考驗的成熟火箭發動機。綜合這些因素，螢火蟲α火箭的動力系統并沒有多大問題，這也為整個火箭的高可靠性奠定了堅實的基礎。

新西蘭的“電子”火箭在發動機上同樣下了很大功夫，它的“盧瑟福”發動機不僅使用3D打印技術減少零件數量，降低研制和制造成本，同時也降低了發動機出現故障的概率，還使用了獨特的電驅動渦輪泵技術。眾所周知，除了最簡單的擠壓循環外，火箭發動機的其他循環方式都需要渦輪泵輸送推進劑，驅動渦輪需要預燃器或是燃氣發生器產生高溫高壓的氣體，涉及到復雜的高壓防熱、防氧化和結碳等問題，一向是傳統火箭發動機研制的核心和難點，對設計制造要求極高，而電動機則可以避免這些麻煩。電動機用于渦輪泵的想法并不罕新鮮，但電力來源卻是一個大問題，得益于現代高容量鋰電池技術的不斷發展，電池能量密度已經達到了過氧化氫催化分解的水平，而后者正是老而彌堅的聯盟火箭主發動機驅動渦輪泵的選擇。

隨著現代電子工業的飛速發展，運載火箭的制導導航和控制系統研制難度和成本也顯著降低，小型運載火箭更是受益于先進微電子和微機電技術的進步，得以在低成本下實現老一輩航天人夢寐以求的性能，并做到了更高的可靠性。現代材料工業的進步也為小型運載火箭帶來了福音，現代航天工業中碳纖維復合材料得到了廣泛的應用，固體火箭發動機或是火箭整流罩使用碳纖維復合材料早已司空見慣，液體推進劑的碳纖維復合材料儲箱也屢見不鮮。螢火蟲α和“電子”火箭液體運載火箭全面使用碳纖維復合材料箭體雖然是首見，但并沒有根本性的技術和工程障礙。現代檢測技術的進步，同樣給小衛星運載工具帶來了巨大的便利，尤其是對小型運載火箭萊說，火箭監測和維護的難度進一步降低，這都意味著火箭可靠性的提高。

簡而言之，即將登場的新一代小衛星運載工具雖然缺乏質子和聯盟火箭那樣成百上千的發射記錄，但它們受益于現代航天工業設計和制造的全面進步，仍然具有很高的可靠性，它們欠缺的僅僅是實際發射幾率積累的成功率數據。其實這種趨勢在獵鷹九號火箭上就已經表現出來，太空探索技術公司是一家新興公司，很長時間里人們也懷疑獵鷹九號火箭能否在發射成功率上和久經考驗的老式運載火箭競爭，但即使今年出現了第一次徹底的發射失敗，獵鷹九號火箭的發射成功率仍然遠高于質子火箭。

新一代運載工具的可靠性

航天發射追求高可靠性和高成功率絕非偶然，雖然運載火箭的發射價格始終居高不下，但現有的絕大多數發射中，衛星飛船和探測器等載荷的價格要高于甚至遠高于按運載火箭。最極端的例子莫過于美國著名的“好奇號”火星車，“好奇號”的造價高達25億美元，而發射它的宇宙神5火箭卻只有這個價格的十分之一，從這個角度看大中型火箭不惜代價追求高成功率，實在是順理成章天經地義。不過在小衛星領域，隨著技術發展小衛星和微納衛星日益廉價，情況卻有了很大的不同。

小衛星尤其是微納衛星的造價相當便宜，對發射失敗的容忍性較高，這就意味著小衛星發射工具并不需要像發射深空探測器和載人飛船的運載火箭那樣不惜代價的追求可靠性。軌道通訊公司的第二代軌道通訊試驗星第一次搭載獵鷹九號火箭，由于火箭發動機故障未能進入預定軌道，但造成1000萬美元的損失，但與大型衛星發射失敗的損失相比微不足道。軌道通訊公司正式組網的18顆第二代通訊星發射訂單，也仍由太空探索技術公司的獵鷹九號火箭發射。172千克的小衛星Orbcomm-2尚且如此，微納衛星對發射失敗的容忍更高，今年SpaceWorks公司對微納衛星發展憂心忡忡的分析，首先提及的是小微納衛星年度發射數量的降低，而不是發射失敗帶來的慘重損失，微納衛星低廉成本帶來的優勢躍然紙上。

或許正是因為如此，小衛星發射工具雖然也有獵鷹九號火箭那樣打算用于載人發射而在設計上專門考慮的特例，但更多并沒有刻意追求超高可靠性，它們的可靠性更多是設計制造技術進步的結果，在降低設計制造成本的同時也提高了火箭發射的可靠性和成功率。對于俄羅斯Lin Industrial公司或是挪威計劃研制小型運載火箭的公司來說，它們專用于發射納衛星的運載火箭甚至不排除為了追求廉價而降低對可靠性的要求。