太空里的“天女散花”

張乃千+楊詩杰

不久前，印度通過一枚火箭將104顆衛星發射升空，雖然這些衛星多為技術門檻低、研制時間短的微小衛星，但一定程度上反映了航天衛星小型化、集成化的發展趨勢。一箭多星順應了這種趨勢，具有充分利用火箭運載能力、降低衛星發射成本等優勢。事實上，一箭多星發射技術角逐的主角始終是美俄兩個航天大國，他們在一箭多星上長期較勁，就是互秀各自的分導式彈頭技術，而這恰恰是突破彈道導彈防御系統的關鍵技術之一。

“一箭多星”備受航天界青睞

纖云弄巧，銀漢迢迢。人類送到太空的第一名“旅客”，當屬蘇聯1957年10月4日發射升空的第一顆人造衛星“斯普特尼克”。不甘落后的美國迅速發力，于1960年首次實現一枚火箭發射兩顆衛星，開啟一箭多星的航天新時代。

此后，人類圍繞一枚火箭究竟可以同時發射多少顆衛星的較量一發而不可收。嘗到了一箭多星發射“甜頭”的美國于1961年成功實現“一箭3星”發射。隨后，蘇聯也多次使用一枚火箭成功發射8顆衛星，一箭多星開始駛入數量井噴時代。2013年11月19日，美國軌道科學公司“彌諾陶洛斯”火箭創紀錄地同時將29顆衛星送入地球軌道。僅僅兩天之后，俄羅斯就使用一枚“第聶伯”運載火箭將32顆微型衛星送入太空。

除美俄兩位航天界“大咖”外，歐洲航天局、日本和印度等也相繼掌握了一箭多星發射技術。我國于1981年9月成功運用一枚“風暴一號”火箭實現“一箭3星”發射，一口氣將一組3顆“實踐”二號衛星送入地球軌道，成為第四個獨立掌握一箭多星發射技術的國家。隨后，“長征”系列運載火箭逐步實現開展一箭多星發射任務的常態化運作。2013年，我國成功將“高分一號”對地觀測衛星和其他3顆衛星分別送入不同軌道。2015年9月20日由長征6號運載火箭成功發射的“一箭20星”，創造了當時的亞洲紀錄，充分展現了我國在一箭多星發射領域的實力。

此次印度發射升空的104顆衛星，打破了由俄羅斯于2014年創下的“一箭37星”世界紀錄，直接將一箭多星的“多”提升到數量上的“百”時代。

事實上，這已經不是印度第一次試水一箭多星。懷揣航天大國夢想的印度于2007年實現“一箭4星”發射，并于2008年率先突破個位數紀錄，實現“一箭10星”發射。2016年6月，印度將20顆衛星一箭送入太空軌道。

“天女散花”其實并不容易

在此之前，我國自主研制的首枚固體運載火箭長征十一號，曾搭載4顆衛星實現固體運載火箭的一箭多星發射，標志著衛星發射進入數量大、時間短的“快遞”時代。雖說一箭多星可充分“榨干”火箭的運載能力，為衛星發射服務提供多種選擇模式，但并不意味著這種發射方式技術難度就低。要想實現太空“散花”，還真得下一番苦功夫。

目前，國際通用的一箭多星發射方式主要分為兩大類。一種是“單次多放”，即把幾顆衛星一次送入一個相同或幾乎相同的軌道上去。另一種則是“多次單放”，即分批分次釋放衛星，把衛星“挨家挨戶”地送到它們的太空“新住處”。要想實現第二種精確化投送，就需要運載火箭在達到某一預定軌道速度后擇機釋放第一顆衛星，之后繼續飛行，在達到下一個預定軌道速度時繼續釋放，直到把每一顆衛星都釋放到相應軌道上。這兩類發射方式，實現難度上也是天壤之別。

“天女散花”實現的關鍵，就是如何解決“星箭分離”瞬間大量衛星釋放時的碰撞問題。尤其是在火箭飛行的最后階段，衛星如何按照預定設計程序從衛星“座艙”中順利“出艙”且不能相互擦碰，這就必須為每一顆衛星量身定做最佳的飛行路線和最佳分離時刻，才能真正實現多顆衛星的“各行其道”。更何況，一枚火箭同時裝載多顆衛星，會對火箭的結構角度和重心分布帶來改變，每一顆衛星出艙瞬間如何保證火箭飛行穩定，避免衛星內部電子設備產生無線電干擾都是擺在技術人員面前的重要問題。從技術角度上講，一枚火箭發射多種不同軌道的衛星難度更高、技術更復雜。

要想實現一箭多星發射，首先對運載火箭提出了較高要求。運載火箭必須“身強體壯”到可以把數顆衛星送入軌道。同時，為了將多顆衛星分別送入不同參數的太空軌道，通常還要為他們量身定制專門的衛星分配器。我國在完成“一箭20星”發射任務中，就將20顆衛星分成3層像金字塔般排列，并采用了主星抱子星的裝配方式。此外，衛星平臺與載荷的微小型化和標準化也是一箭多星發射的核心技術之一。尤其是在微小型衛星搭載任務中，主載荷完成布置后，留給微小型衛星的空間和重量非常有限，如何充分利用一箭多星剩余的發射能力，值得我們深入思考。

“小馬拉大車”成就飛天夢想

此次印度發射升空的104顆衛星中，有88顆衛星來自美國的一家地球圖像公司。而這88顆昵稱為“鴿子”的衛星互為“孿生兄弟”，每顆僅重5千克。目前，隨著衛星技術的快速發展，出現了一大批重量在1噸乃至500千克以下“身材瘦小”的衛星，甚至小于100千克的衛星也屢見不鮮。對于這些小型載荷、單獨發射成本過高、能有效分攤發射成本的一箭多星掃清了微小衛星應用的最后一道障礙。

在世界各航天大國爭相分搶航天發射“蛋糕”的大背景下，一箭多星無疑具有巨大的市場應用前景。每次發射的衛星數量越多，單顆衛星的花費就有可能越低，如果有批量化的衛星發射訂單，衛星進入太空軌道的“快遞費”甚至會更低。隨著空間應用和太空民用需求的不斷拓展，發射能力強、效率高、成本低的一箭多星將創造“小馬拉大車”的極限飛天新局面，成為全球商業衛星發射的“明日之星”。

當然，一箭多星技術自誕生之日起，就不是單純的航天科技。冷戰時期，美蘇兩國之所以在一箭多星發射領域相互角力，不斷刷新衛星同時發射數量紀錄和多軌道釋放能力，其實就是在向對方炫耀其彈道導彈多彈頭分導技術的最新成果。運載火箭與彈道導彈堪稱一體雙生，美國發射“一箭29星”所用的“彌諾陶洛斯”火箭最早就由“和平衛士”洲際導彈發展而來。無獨有偶，俄羅斯發射衛星所用的“第聶伯”運載火箭，其實也是RS-20“撒旦”洲際導彈的衍生品。