小衛星快速發射，八仙過海 各顯神通

+ 張雪松

小衛星快速發射，八仙過海 各顯神通

+ 張雪松

編者按：

回顧近來與火箭發射有關的熱點新聞，其中三條吸引了我們的注意：XS1項目花落波音、新西蘭“電子號”小火箭首次發射、世界最大飛機正式亮相。這三者之間的內在聯系不難發現：新聞中的主體，都是一種新興的航天器發射方式，而它們的目的，都是為了實現低成本、快速地將小衛星（這里指重量為一噸左右及以下的衛星）送入太空。

隨著微小衛星的爆炸性發展，小衛星發射工具也日益熱門，其中既有一次性的小型運載火箭，也有重復使用的運載工具。世界各國多家公司和機構研發的針對小衛星快速發射的手段可以說是八仙過海各顯神通，經過深入盤點后我們發現，這些手段各有優劣，想必將在未來的發射市場上展開白熱化的競爭。

太空飛機

2017年5月24日美國先進研究項目局（DARPA）發布消息，XS-1太空飛機項目第二階段選中波音公司作為唯一的承包商繼續進行研制，波音將其稱為“幻影快車”。

“幻影快車”力圖通過重復使用來實現航天發射的廉價化，原型機將在2020年亮相。按照DARPA對XS-1項目的要求，“幻影快車”太空飛機加上一個一次性的上面級，將具備把3000磅（1360千克）的載荷送入近地軌道的能力，每年發射10次以上的頻率下單次發射費用只有不超過500萬美元，相當于“米諾陶”火箭發射價格的1/10。DARPA還要求“幻影快車”具備10天進行10次高超音速飛行的能力，雖然沒有要求攜帶上面級，但理論上有翼的第一級有這樣的重復出動能力，一次性上面級更不是障礙。簡而言之，“幻影快車”將具備廉價的快速發射能力，如果波音公司研制成功的話，它在未來市場上將產生顛覆性的影響，把所有的一次性小火箭擠出市場。

“幻影快車”太空飛機的紙面性價比很高，但它的未來卻存在著潛在風險——它是一個公私合營的項目，DARPA只給1.43億美元撥款，剩下的部分都要靠波音出錢，這意味著一旦出現技術障礙或是進度拖延，“幻影快車”的研制出現超支就會下馬。臨淵慕魚不如退而結網，火箭實驗室的“電子號”火箭雖然是一次性運載火箭，但卻是已經試射的火箭，它將是未來最有前途的小型運載火箭之一。

小火箭

今年5月25日，“電子號”火箭從新西蘭北島的馬希亞航天發射場發射升空，雖然由于火箭姿控的一些問題最終沒有將載荷送入預定軌道，但這對于一家商業航天公司研制的使用諸多新技術的運載火箭，這已經是相當了不起的成功。“電子號”火箭使用大量新技術，比如3D打印制造、碳纖維復合材料的液氧和煤油儲箱，和電動機帶動的渦輪泵，這些革命性的新技術由一家小型商業航天公司引入液體運載火箭工業，實在令老牌廠商汗顏。但“電子號”火箭更令人拍案叫絕的是它的成本和發射頻率——“電子號”火箭具備將220千克載荷送入近地軌道的能力，而發射費用只需要490萬美元，它為了實現高密度發射還專門跑到新西蘭新建了發射場，甚至打算未來做到一周一發。

或許有人會問，“電子號”火箭的單位發射成本比大型火箭還貴，真的有信心拉到那么多訂單么？這就要說小型火箭的獨特優勢了。小衛星發展過程中，早期一般是作為大中型火箭發射的次級載荷順路上天的，但這也帶來很多問題。首先就是發射響應時間的問題，某些微小衛星可能需要應急快速發射，而大型火箭的發射基本不會考慮次級載荷的發射時間要求；其次，很多微小衛星會運行在比較特殊的軌道上，和傳統的太陽同步軌道或是空間站軌道有不小的區別，這也帶來了獨立發射的需求，蓬勃興起的小火箭瞄準的就是這些市場。以電子號火箭為例，美國“月球快車（Moon Express）”就將使用“電子號”火箭發射他們的月球探測器，如果要等美國或是其他國家的大型火箭發射月球探測器時順路搭車搭載，“月球快車”的發射就不知道要等到猴年馬月了。

現有的小型運載火箭中，“電子號”火箭的報價是很有競爭力的，甚至可以說是最具競爭力的運載火箭。那么除了火箭本身使用新技術挖潛，還有沒有別的道路呢？空射火箭就是另一條不錯的路線。例如維珍銀河公司的“發射者一號（LauncherOne）”火箭將使用波音747載機空中發射，廉價實現更為靈活的航天發射。

空射火箭

空中發射當然不是異想天開，而是有著貨真價實的優勢。

第一，空射火箭具有更好的發射靈活性。5月底，“電子號”火箭的首次發射曾接二連三地發生推遲，主要原因就是發射場高空氣象不佳。而如果火箭在萬米高空發射，加上載機的大范圍機動，就可以規避絕大部分氣象問題，從而減少推遲發射發生的幾率。此外，“電子號”火箭之所以選擇在地廣人稀的新西蘭發射，一個主要考慮是為了遠離繁忙的航班，便于空管部門的空域協調，以實現更高頻率的發射。而空射火箭就沒有這種煩惱，載機可以攜帶火箭飛到更合適的區域，規避火箭發射對航空活動的干擾。空射火箭具有更好的發射靈活性，這對某些時效性較強的發射是十分合適的，也有利于把維護基地放在工作生活更便利的繁華地區。

第二，空中發射還有一個巨大的優勢，就是高空發射減少了火箭起飛、加速、爬升到高空的燃料消耗。雖然載機在萬米高空以亞音速發射火箭，載機速度和火箭入軌速度相差甚遠，但根據火箭方程細算，我們會發現普通運載火箭從地面發射到飛抵萬米高空所消耗的燃料，無論按絕對數量還是相對比例都相當不少，空射火箭實際上相當于增加了一個復用的第一級，只不過波音747這樣的噴氣飛機比“幻影快車”這樣火箭飛機速度和高度都差得遠，所以效果不太突出而已。

“發射者一號”使用波音747空中發射，它是一種二級空射運載火箭，使用新的“牛頓”發動機，設計指標是以不高于1000萬美元的成本，將230千克的載荷送入太陽同步軌道。綜合算下來，“發射者一號”的單位發射成本只比“電子號”火箭略高，同樣具有很強的商業競爭力。不過它主要用于發射太陽同步軌道衛星，與用于發射近地軌道載荷的“電子號火箭”并沒有短兵相接的機會。

“Stratolaunch”搭載三枚火箭效果圖

空射火箭具有方便快捷和廉價發射的諸多優勢，不僅小型火箭、就連中型火箭也來湊熱鬧。近日，一則新聞轟動了整個科技圈——同溫層發射系統公司（Stratolaunch Systems）的空中發射載機”Stratolaunch”，綽號“大鵬”的史上最大飛機于5月31日，在加利福尼亞州的莫哈維基地正式下線。

作為空射火箭，同溫層發射系統的確能夠更準確、快速地把衛星送入軌道，然而其“能夠降低成本”的說法似乎只對傳統的火箭地面發射方式有效。因為與本文前述發射方式相比，同溫層發射系統并不便宜——“飛馬座XL”火箭的價格一直比較貴，作為“米諾陶”火箭的空射變種，其過去使用L-1011客機空中發射時單價居然高達5600萬美元。如上文所述，“米諾陶”火箭的高價正是催生XS-1“幻影快車”的重要原因，未來，除非“飛馬座XL”火箭能夠大幅降價、或者“大鵬”更換火箭搭檔，否則同溫層發射系統的大飛機做得再好，也沒法和地面發射的“電子號”小火箭或是空射的“發射者一號”火箭競爭，更不要說為滿世界找火箭的小衛星運營者們帶來“白菜價”、準確又快速的發射服務了。