發展空基發射小衛星技術的意義和途徑

姜秀鵬 傅丹膺 李黎 常新亞 （航天東方紅衛星有限公司）

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發展空基發射小衛星技術的意義和途徑

姜秀鵬 傅丹膺 李黎 常新亞 （航天東方紅衛星有限公司）

Significance and Means of Developing Technologies for Air Launching Small Satellite

隨著小衛星功能密度的增加，小衛星的發射市場呈現出日益增長的勢頭。目前的小衛星多數是采用陸基運載火箭發射，相對發射費用高，準備周期長，與日益增長的小衛星發射需求不相適應，急需尋找一種能夠以負擔得起的成本將小衛星送入太空的方法。而空基發射由于具有機動、靈活、高效、廉價等優勢，成為一種必然選擇。

1 引言

空基發射小衛星是指利用載機將運載火箭攜帶到一定高度釋放，運載火箭攜帶有效載荷入軌，載機安全返回地面的空天運載模式。其目的是利用空基發射機動靈活的優勢，形成快速進入空間的能力。與其他發射方式相比，空基發射衛星具有發射費用低、發射準備時間短、機動性及靈活性好等一系列優點，故在技術條件成熟的情況下是一個較好的選擇。

空基發射小衛星概念具有極高的軍民應用價值及廣闊的應用前景，世界上以美國為首的航天大國均十分重視發展空基發射衛星技術。1990年4月5日，美國“飛馬座”運載火箭第一次試飛成功，宣告了空射時代的到來。在此基礎上，美國又發展了飛馬座－XL。到目前為止，“飛馬座”和飛馬座－XL先后發射了多顆軍用小衛星和民用小衛星，每次發射費用僅為地面發射同樣常規火箭時的1/2。

國外特別是美國的空基發射小衛星技術正在快速發展，并已經呈現出多平臺發展的趨勢，需要引起高度重視。

2 國外空基發射小衛星技術的現狀

“飛馬座”小型空射運載火箭

美國“飛馬座”運載火箭是迄今為止世界上唯一投入商業運營的空射運載火箭，由美國軌道科學公司和赫爾克里士航空航天公司合資組成的風險企業投資并負責研制，從1990年4月5日開始進行發射，主要用于將小型衛星送入近地軌道，進行微重力試驗、材料試驗、通信、定位、地球資源探測或完成其他特殊任務。該火箭分為標準型和加長型XL，采用下掛式發射，整流罩長1.83m、直徑1.17m，可將272kg的衛星送入463km的極地圓軌道, 其發射費用為地面常規火箭的一半。

“飛馬座”火箭發射衛星

“火箭飛機”發射衛星

“空中發射輔助太空進入”項目

美國國防高級研究計劃局（DARPA）于2011年發布了“空中發射輔助太空進入”（ALASA)計劃，擬采用改進的F－15E戰斗機作為載機，外掛運載，目標是能夠以低于100萬美元的單次發射成本發射質量約45kg的衛星。這將為低成本小型衛星的廣泛使用鋪平道路。同時，該火箭在更換載荷之后，亦能執行反衛星任務。

DARPA原計劃在2015年末進行第一次飛行驗證，2016年上半年進行第一次軌道發射，然后根據測試結果，將在2016年夏季進行12次演示驗證發射。但由于兩次機載系統燃料試驗失敗，近期，DARPA宣布取消2016年的飛行試驗計劃。

平流層發射系統項目

美國正在發展一款由私營公司研制、綽號為“大鳥”的超級“火箭飛機”，該機翼展117m,長度72m，質量544311kg，最大速度850km/h，設計搭載6個波音747級別的發動機，預計在2016年首飛，可以將火箭運至空中發射，將6.1t的衛星送入180～2000km的近地軌道。

發射者－1空射小型運載火箭

維珍銀河公司2012年已經開始研制小型衛星發射火箭發射者－1。火箭將從該公司白色騎士－2載機上發射，能發射最高質量為225kg的衛星，預計完成這一任務的價格可能低于1000萬美元，將為商業小衛星提供發射服務。其首次商業飛行可能在2016年執行。

白色騎士－2飛行圖

飛行號空射運載火箭項目

飛行號是俄羅斯于20世紀90年代提出的項目，以安－124運輸機為平臺，計劃掛載近百噸級運載火箭，具備將2～3t衛星送入200km近地軌道的能力。項目原計劃于2003年年底進行首飛，后因技術及資金問題而被擱置。2012年，俄羅斯宣布與印度尼西亞合作重啟空中發射項目，并計劃于2020年實施“空中發射”方案，載機選為安－225飛機。

國外發展現狀與趨勢

總結國外空基發射衛星的發展情況，可以看出：

1）在空基發射衛星方面，美國處于領先地位，技術成熟，涌現出多個型號，發射平臺包括大型運輸機、遠程轟炸機、戰斗機、特種載機等，呈現多平臺發展趨勢；投放方式覆蓋下掛式、內裝式等，投放能力覆蓋區間不斷擴大，各項能力持續提升，呈現系列化發展趨勢。

2）空基發射小衛星的發射費用進一步降低，衛星的發射準備時間由天級進一步縮短到小時級。

3）私營公司不斷進入空基發射衛星領域，參與熱情高，未來有望成為主要力量。

3 發展空基發射小衛星技術的意義

發展空基發射衛星技術的重要意義體現在以下幾個方面：

1）手段多樣性。衛星進入空間的方式主要包括陸基發射、海基發射及空中發射等3種方式，對于只有陸基發射的國家，通過空基發射實現發射手段多樣化的需求迫切。

2）戰時生存性。固定發射場的數量少，在戰爭中易受到破壞，而空基發射可在數量較多的機場設施中機動選擇起飛發射，戰場生存能力強。發射衛星時不依賴地基和海基測控，不依托大規模地基支持。

3）軍民結合性。空基發射衛星系統可實現“平戰結合、寓軍于民”，平時是一種低成本的衛星發射系統，戰時可迅速更換載荷變成防天反衛系統。

4）時空靈活性。一是點位任意，空基發射衛星不受限于地面發射陣位，發射點不受限于天氣、國土范圍和地形；二是射向任意，可不考慮火箭殘骸落區；三是傾角任意，可發射任意傾角的軌道且不需要進行軌道轉移，目前只有空射可以做到入軌當圈工作且實現高重訪；四是時間任意，由于發射點位可選擇性大，因此發射時間窗口大大拓寬。

5）快速機動性。空基發射可在大范圍內快速機動到任意地區發射衛星，是陸地等常規手段無法比擬的；從任務下達到衛星入軌工作，空基發射比現在最快的地面固體運載機動發射（約為24h）要快4倍以上。

6）任務隱蔽性。可選擇地域偏遠地區的機場起飛發射，任務隱蔽性高。

7）費用低廉性。由于載機/運載火箭系統是一個部分重復使用的系統，因此，空射運載火箭可顯著降低單位有效載荷的發射費用。

可以看出，空基發射小衛星系統作為實現衛星發射方式多樣化及提高戰時生存性的有效手段，具有重要的戰略意義，應作為一國航天工業的重要發展方向并給予支持。

4 空基發射小衛星技術的發展途徑

空基發射小衛星系統包括航空平臺、空射運載、衛星系統、測控系統等四大部分，應針對空基發射小衛星系統的特點協調發展，可采用“成熟技術先行、后續穩步推進”的發展策略。

航空平臺

從國外發展情況來看，航空平臺可優先采用現有成熟飛機平臺，如轟炸機、運輸機或大型客機進行改裝，采用機腹下掛運載的方式發射衛星。采用這種發射方式的分離比較簡單，但運載器的尺寸受到限制，運載能力有限，僅能發射輕小型的衛星，制約了衛星的功能和性能。因此，未來可繼續發展大型航空平臺，采用機艙內裝式運載發射衛星。

空射運載

可在已有運載的基礎上進行預研攻關，與航空平臺協同設計，滿足航空平臺對質量、尺寸（受起落架高度限制）的要求，條件成熟后開展飛行演示驗證，先驗證關鍵技術，形成能力，并進行衛星的搭載發射試驗。未來隨著航空平臺的發展，將進一步發展機艙內裝式運載，發射衛星的質量和尺寸可進一步加大。

衛星系統

基于空射運載的特點，空基發射小衛星系統需要考慮以下幾方面的設計問題：

1）衛星應實現低成本設計。空基發射衛星的運行軌道一般都比較低，空間輻射劑量相對較小，并且衛星以應急應用為主，因此衛星適宜采用低成本設計技術，如采用異構備份技術、“商用現貨產品”（COTS）器件應用技術、軟件星技術及管理流程優化技術等。

2）衛星系統需要實現輕量化、小型化。受空射運載能力的限制，衛星需要進行構型的優化，如立方體衛星、細長型構型、體裝式太陽電池陣等。為了實現衛星的輕量化，需要開展結構輕量化設計工作，采用輕量化材料，星上電子設備采用綜合化、一體化、集成化設計技術，打破嚴格的分系統劃分，根據星上計算機的處理能力，整星只設計1臺或2臺中心計算機負責遙測遙控及星上事務管理，其余的通信設備、敏感器、執行機構等只做星上中心計算機的外圍設備。

3）衛星系統需要采用力學加固或減振設計。由于空基發射的運載火箭多為固體運載，相比常規的液體運載，其存在的典型問題是過載較大，需要采用有效的減振和隔振措施，如采用金屬橡膠隔振器或形狀記憶合金（SMA）減振墊來達到減振和隔振效果。

星上電子信息拓撲圖

4）衛星系統要適應水平對接和運輸。在發射衛星時，空基發射運載火箭在絕大部分時間里都是呈水平狀態，衛星系統需要實現與運載火箭的水平對接、水平運輸，并在空中實現水平發射。因此，衛星結構強度要適應這種水平狀態，并采用合適的星箭對接接口，如采用4點分離螺母的形式，可適應水平狀態的快速對接。

5）衛星系統要解決發射時的結露問題。在發射衛星時，載機攜帶運載在10000m以上的高空飛行時，水平飛行的持續時間有可能超過0.5h，如果不采取熱控措施，則整流罩內的溫度有可能低于-30℃，會造成星上的光學系統產生結露問題。因此，需要衛星采用適當的熱控措施，或通過載機、運載實現整流罩內的溫度調節。

測控系統

測控系統可依托于現有的地基和天基測控系統。另外，為適應空基發射所具有的大范圍快速機動特點，可發展相應的機動測控系統，如地面移動測控系統、機載測控系統等，為運載火箭和任務衛星提供發射期間的測控保障。

5 結束語

隨著小衛星發射需求的日益增長，空基發射衛星技術正成為航空和航天技術結合的一個熱點，在有效降低衛星發射費用及空間力量應急增強方面具有重要意義，其在軍事和民用方面的應用前景是十分廣闊的，必將成為未來的重點發展方向。