長征十一號(hào)：打造航天發(fā)射的出租車模式

文/ 唐明軍

▲ 長征十一號(hào)火箭發(fā)射效果圖

1月19日12時(shí)12分，中國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心利用長征十一號(hào)固體運(yùn)載火箭成功實(shí)施“一箭六星”發(fā)射，將吉林一號(hào)視頻07星、08星和四顆小衛(wèi)星精確送入預(yù)定軌道。

此次發(fā)射是長征十一號(hào)固體運(yùn)載火箭繼 2015年“一箭四星”和2016年“一箭五星”連續(xù)發(fā)射成功后，又一次多星發(fā)射的突破，此次發(fā)射任務(wù)是長征十一號(hào)火箭首次“全商業(yè)發(fā)射”，也是中國固體運(yùn)載火箭首次向國際用戶提供發(fā)射服務(wù)。那么，這款由中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研制的運(yùn)載火箭有哪些特點(diǎn)？它與國外的主流固體運(yùn)載相比有哪些優(yōu)劣？在航天商業(yè)化道路上又是如何做的呢？

小個(gè)子 大作為

長征十一號(hào)固體運(yùn)載火箭是中國近年來針對(duì)快速發(fā)展的商業(yè)航天市場而研制的一種小型運(yùn)載器，該火箭于2010年10月在中國航天科技集團(tuán)有限公司內(nèi)部立項(xiàng)，組建型號(hào)隊(duì)伍開始研制，并于2012年獲得國家正式立項(xiàng)批復(fù)。在8年時(shí)間里，該火箭已進(jìn)行了3次發(fā)射，從一個(gè)幼嫩的嬰兒逐漸長大成人。

該火箭與現(xiàn)役長征系列運(yùn)載火箭家族的其他兄弟們相比，是個(gè)十足的“小個(gè)子”，它采用了四級(jí)結(jié)構(gòu)，全長20.8 米，箭體直徑2.0 米，重約58噸。與我國普通液體火箭長40米以上，直徑3.35米以上的“體量”相比，顯得小巧了很多。

長征十一號(hào)火箭的個(gè)子雖然小，但推力卻不小。它采用固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠提供大約120噸的起飛推力，足以將700千克的衛(wèi)星送入地球近地軌道，或?qū)?00多千克的衛(wèi)星送入太陽同步軌道。

雖然該火箭的運(yùn)載能力不能和“長征五號(hào)”和“長征七號(hào)”這些大推力火箭相比，但對(duì)于一般的小衛(wèi)星發(fā)射來說，已經(jīng)足夠了。因此，該火箭完全可以勝任近年來國內(nèi)外蓬勃發(fā)展的小型科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星與商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)。

說起小衛(wèi)星，通常是指重量為500千克以下的衛(wèi)星。在我國現(xiàn)役液體運(yùn)載火箭家族中，“長征二號(hào)”“長征三號(hào)”“長征四號(hào)”“長征五號(hào)”“長征六號(hào)”“長征七號(hào)”的運(yùn)載能力都比較大，單獨(dú)發(fā)射小衛(wèi)星必然造成運(yùn)載能力浪費(fèi)，不夠經(jīng)濟(jì)，且發(fā)射場設(shè)施資源緊張，因此，專門服務(wù)于小衛(wèi)星的長征十一號(hào)火箭應(yīng)運(yùn)而生。

▲ 1月19日，長征十一號(hào)火箭一箭六星發(fā)射成功 唐明軍 攝

多項(xiàng)能力超國外同類火箭

長征十一號(hào)火箭擁有獨(dú)特靈活選擇發(fā)射地點(diǎn)的能力，使其可以全天候、無依托發(fā)射，不需要常見的發(fā)射塔架，只需要一小片經(jīng)過硬化的水泥場坪，就可以將衛(wèi)星送入一些受制于現(xiàn)有發(fā)射場的測控、落區(qū)范圍而難以到達(dá)的目標(biāo)軌道。

相反，諸如美國的“金牛座”系列、“米諾陶”系列；日本的“艾普斯隆”，歐洲的“織女星號(hào)”等同類型固體運(yùn)載火箭，在發(fā)射方式上遠(yuǎn)不如長征十一號(hào)火箭靈活。例如，美國現(xiàn)役的“米諾陶”系列仍然采用了簡易的發(fā)射塔架、固定的發(fā)射臺(tái)和火焰導(dǎo)流槽，這就大大限制了它的機(jī)動(dòng)發(fā)射能力。

▲ 廠房中的長征十一號(hào)火箭 周雅露 攝

日本的“艾普斯隆”和歐洲的“織女星號(hào)”，不僅有簡易的發(fā)射塔架和固定的發(fā)射地點(diǎn)，而且離發(fā)射臺(tái)不遠(yuǎn)的地方還設(shè)有火箭總裝廠房，其發(fā)射的復(fù)雜程度和靈活性也遠(yuǎn)不如長征十一號(hào)火箭。

長征十一號(hào)副總設(shè)計(jì)師歐陽松表示，長征十一號(hào)火箭靈活機(jī)動(dòng)的發(fā)射方式是美國“米諾陶”、日本“艾普斯隆”和歐洲“織女星號(hào)”無法比較的，這些都是我們的優(yōu)勢(shì)所在。

另外，從運(yùn)載系數(shù)上看，長征十一號(hào)火箭也屬于世界固體運(yùn)載火箭中的佼佼者。長征十一號(hào)副總設(shè)計(jì)師管洪仁表示，雖然日本的“艾普斯隆”、歐洲的“織女星號(hào)”等火箭的運(yùn)載能力比長征十一號(hào)火箭大，但從火箭起飛質(zhì)量和運(yùn)載能力的系數(shù)比值看，長征十一號(hào)火箭均達(dá)到了國際一流水平。

總之，長征十一號(hào)火箭的運(yùn)載能力系數(shù)和發(fā)射場地簡單、測發(fā)操作便捷的優(yōu)勢(shì)，使其能夠在復(fù)雜惡劣的條件下充當(dāng)“招之即來、來之能射”的可靠航天運(yùn)載“衛(wèi)士”，大大拓展了我國小型航天器的應(yīng)用范圍。

發(fā)射時(shí)間短 可快速組網(wǎng)

習(xí)武的人都知道，武林中流行這樣一句話：天下武功，唯快不破。講的就是習(xí)武之人認(rèn)為，速度越快，勝算越大。這句話同樣適用于如今快速發(fā)展的火箭。

長征十一號(hào)火箭的最大優(yōu)勢(shì)就是發(fā)射準(zhǔn)備周期短，發(fā)射速度快。該火箭不用像使用液體燃料火箭那樣，在發(fā)射前有一個(gè)漫長的燃料加注過程。相反，長征十一號(hào)火箭的固體燃料是提前填充在箭體內(nèi)，同時(shí)火箭又采用了一體化設(shè)計(jì)和智能化設(shè)計(jì)，火箭與衛(wèi)星擁有快速對(duì)接能力，可以很快組裝起來，使得長征十一號(hào)火箭最快可以在24小時(shí)之內(nèi)完成發(fā)射任務(wù)。這一恐怖能力，遠(yuǎn)超美國“米諾陶”、日本“艾普斯隆”和歐洲“織女星號(hào)”的多天發(fā)射能力，使它成為世界上發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間最短的運(yùn)載火箭之一。

以抗震救災(zāi)為例，長征十一號(hào)火箭可以在24小時(shí)內(nèi)將小衛(wèi)星發(fā)射到預(yù)定軌道，對(duì)受災(zāi)地區(qū)進(jìn)行快速勘察，而當(dāng)前我國所有使用液體燃料的運(yùn)載火箭，都無法在如此短的時(shí)間內(nèi)完成這種快速反應(yīng)能力。因此，長征十一號(hào)火箭的應(yīng)急發(fā)射能力、組網(wǎng)能力和補(bǔ)網(wǎng)能力大大提高。

長征十一號(hào)火箭總指揮楊毅強(qiáng)表示，我國目前現(xiàn)役的長征系列液體運(yùn)載火箭，其發(fā)射準(zhǔn)備周期一般需要20～30天，而具備快速發(fā)射能力的新一代小型液體運(yùn)載火箭的射前準(zhǔn)備期也需要7天時(shí)間，長征十一號(hào)火箭與這些型號(hào)相比，快速發(fā)射能力不言而喻。

標(biāo)準(zhǔn)化的衛(wèi)星適配器

長征十一號(hào)火箭的“快”不僅體現(xiàn)在速度上，更體現(xiàn)在能力和質(zhì)量上。長征十一號(hào)火箭延續(xù)了“長征”家族成熟、可靠、優(yōu)質(zhì)的特點(diǎn)，其技術(shù)途徑與國際上的主流固體運(yùn)載火箭類似，以成熟型號(hào)為基礎(chǔ)發(fā)展而來，成熟度高，可靠性子樣積累多。

該火箭數(shù)百千克的近地軌道運(yùn)載能力雖然是我國現(xiàn)役長征系列運(yùn)載火箭家族中最小的，但可以滿足國內(nèi)外大部分小衛(wèi)星的發(fā)射需求，而且用該火箭發(fā)射小衛(wèi)星可以省去搭載發(fā)射需要解決的軌道協(xié)調(diào)、結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)、電磁兼容協(xié)調(diào)等問題。

因此，長征十一號(hào)火箭能夠?yàn)樾⌒l(wèi)星提供最優(yōu)化、最靈活的發(fā)射服務(wù)，使小衛(wèi)星也能夠擁有主載荷享有的優(yōu)先權(quán)，獲得個(gè)性化訂制服務(wù)。

另外，長征十一號(hào)火箭還使用了標(biāo)準(zhǔn)的星箭接口模式。接口的標(biāo)準(zhǔn)化使火箭能夠適應(yīng)不同衛(wèi)星的任務(wù)需求，減少星箭接口匹配的工作量。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)接口具有的互換性也為長征十一號(hào)火箭在各種快速應(yīng)急任務(wù)中，靈活地匹配不同類型的有效載荷提供了便利。

楊毅強(qiáng)表示，此次“一箭六星”發(fā)射首次實(shí)現(xiàn)了運(yùn)載火箭的全箭整體儲(chǔ)存、星箭快速對(duì)接、環(huán)境自主保障、高效快速發(fā)射。楊毅強(qiáng)說：“我們采用多種標(biāo)準(zhǔn)化星箭接口和多星適配器，在火箭的發(fā)射過程中更加快速、更加可靠、更加便捷、更加靈活，能夠有效滿足未來小衛(wèi)星大規(guī)模高密度組網(wǎng)發(fā)射需求。”

先進(jìn)的自主移動(dòng)測試發(fā)射平臺(tái)

在長征十一號(hào)火箭的發(fā)射工位上，沒有高大的發(fā)射塔架，沒有深深的導(dǎo)流槽，甚至連支撐火箭的發(fā)射臺(tái)都沒有，只有一片貌不驚人的水泥場坪。那么，為什么該火箭的發(fā)射工位會(huì)如此簡單？

這歸功于長征十一號(hào)火箭的自主移動(dòng)測試發(fā)射平臺(tái)。自主移動(dòng)測試發(fā)射平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)星箭組合體的整體運(yùn)輸，為衛(wèi)星提供環(huán)境保障，滿足火箭的射前測試、垂直起豎和快速發(fā)射需求。

有了自主移動(dòng)測試發(fā)射平臺(tái)，輔以必要的輔助通信指揮車輛，可以大大減少火箭發(fā)射對(duì)地面設(shè)施的依賴，降低固定發(fā)射工位、火箭殘骸落區(qū)對(duì)衛(wèi)星軌道的制約，實(shí)現(xiàn)快速、自主測試發(fā)射。

有了自主移動(dòng)測試發(fā)射平臺(tái)，長征十一號(hào)火箭無論在運(yùn)輸裝填流程，還是在測試和發(fā)射準(zhǔn)備過程中，火箭和衛(wèi)星都會(huì)得到良好的環(huán)境保障，不會(huì)受到雨雪沙塵和高低溫等惡劣天氣影響，具備全天候發(fā)射能力。

但是，要想真正實(shí)現(xiàn)無依托發(fā)射，不僅需要破解發(fā)射方式這一技術(shù)限制，還要擺脫另一條無形繩索的束縛——地面測控網(wǎng)。

長征十一號(hào)火箭副總設(shè)計(jì)師蔣德中表示，“火箭全程飛行都是在測控系統(tǒng)的監(jiān)測下進(jìn)行的，地面測控臺(tái)網(wǎng)的覆蓋范圍在一定程度上限制了發(fā)射點(diǎn)和發(fā)射彈道的選擇。為了‘剪斷’這條看不見的繩索，我們?yōu)殚L征十一號(hào)火箭專門配置了天基測控能力。”

“火箭通過天基測控天線將測控?cái)?shù)據(jù)傳向位于地球同步軌道的天鏈中繼通信衛(wèi)星，再轉(zhuǎn)發(fā)回地面，這就可以完成對(duì)我國及周邊地區(qū)發(fā)射軌跡的天基全覆蓋，實(shí)現(xiàn)火箭哪里起飛、測控網(wǎng)絡(luò)就覆蓋到哪里的能力。”蔣德中說道。

總之，有了能遍行神州大地的發(fā)射方式，再加上覆蓋天下的測控網(wǎng)絡(luò)，長征十一號(hào)火箭真正擔(dān)當(dāng)起運(yùn)載火箭中“快響利箭”的頭銜。

▲ 長征十一號(hào)火箭測試 周雅露 攝

優(yōu)秀的項(xiàng)目組團(tuán)隊(duì)

隨著世界商業(yè)航天市場快速發(fā)展，除有傳統(tǒng)研制衛(wèi)星能力的國企外，一些民營公司也開始積極投入商業(yè)航天領(lǐng)域。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，從2005年到2015年全球一共發(fā)射了780顆微小衛(wèi)星，市場總額達(dá)到125億元人民幣。市場預(yù)估從2016年到2025年全球大約有3600顆微小衛(wèi)星需要發(fā)射，其中三分之二是需要組網(wǎng)的衛(wèi)星星座。

面對(duì)這樣一塊大蛋糕，只有主動(dòng)出擊，才能搶占先機(jī)。長征十一號(hào)固體運(yùn)載火箭近年來也開始探索商業(yè)航天市場化道路。

這兩年，在長征十一號(hào)火箭兩總領(lǐng)導(dǎo)的帶領(lǐng)下，項(xiàng)目組團(tuán)隊(duì)走南闖北先后與航天東方紅有限公司、深圳航天東方紅海特衛(wèi)星公司、吉林長光衛(wèi)星公司、珠海歐比特公司、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等多家用戶單位進(jìn)行了溝通和交流。

通過介紹長征十一號(hào)火箭的性能、特點(diǎn)，以及靈活的發(fā)射服務(wù)模式，贏得了眾多用戶青睞。通過這兩年的市場開拓，長征十一號(hào)火箭未來多次商業(yè)衛(wèi)星的發(fā)射訂單幾乎“滿員”。

在抓住國內(nèi)衛(wèi)星發(fā)射市場的同時(shí)，項(xiàng)目組也積極開拓國際市場。長征十一號(hào)火箭總體設(shè)計(jì)師布向偉表示：“目前正與德國、意大利、丹麥、烏克蘭等國家的小衛(wèi)星公司或大學(xué)衛(wèi)星研制團(tuán)隊(duì)接洽，努力將火箭‘推’出去。此次搭載發(fā)射加拿大小衛(wèi)星就實(shí)現(xiàn)了我國固體運(yùn)載火箭發(fā)射外星‘零’的突破。”

由于長征十一號(hào)火箭繼承了“長征系列”家族的特點(diǎn)，其技術(shù)、可靠性和快速履約能力在商業(yè)航天發(fā)射市場上具有較大優(yōu)勢(shì)。例如，一家小衛(wèi)星公司今年成立，明年需要發(fā)射1顆星，從接到訂單到實(shí)施發(fā)射，該火箭只需要90天。

長征十一號(hào)火箭副主任設(shè)計(jì)師劉佳佳表示，分析用戶需求，進(jìn)行私人定制式的服務(wù)，是長征十一號(hào)火箭項(xiàng)目組團(tuán)隊(duì)的理念，衛(wèi)星研制單位或用戶對(duì)發(fā)射需求是哪年，發(fā)射周期是多長，衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量是多少，運(yùn)行在那條軌道，項(xiàng)目組團(tuán)隊(duì)都會(huì)進(jìn)行登記并納入數(shù)據(jù)庫，以便進(jìn)行統(tǒng)籌分析，為用戶提供可行方案。

另外，為了更好的讓客戶滿意，長征十一號(hào)火箭項(xiàng)目組團(tuán)隊(duì)秉承用戶想怎么服務(wù)就怎么做的理念，一切以用戶需求為出發(fā)點(diǎn)。

未來發(fā)射成本不超過1萬美元

目前，國際上1枚火箭發(fā)射1千克載荷上天的價(jià)格有時(shí)高達(dá)2萬～5萬美元，如此高的價(jià)格令一些想發(fā)射衛(wèi)星的用戶很難承受。

發(fā)射一枚火箭的成本，一般包括火箭的研制成本、發(fā)射成本、測控成本以及人力成本等方面。組成運(yùn)載火箭的部件都有很高的技術(shù)要求，在經(jīng)歷預(yù)研、生產(chǎn)、組裝、測試等各個(gè)階段，每一階段都需要花費(fèi)大量的經(jīng)費(fèi)。而且，火箭的生產(chǎn)數(shù)量不可能像汽車一樣達(dá)到數(shù)萬輛，生產(chǎn)幾十枚上百枚就已經(jīng)相當(dāng)多了，有的僅生產(chǎn)幾枚。無法大批量生產(chǎn)無疑會(huì)大幅度增加單件的成本。

例如，上世紀(jì)60年代美國研制的用于登月的土星5號(hào)重型運(yùn)載火箭，總共只生產(chǎn)了15枚，當(dāng)時(shí)1枚火箭的研制成本高達(dá)1.85億美元，換做今天至少高達(dá)5億美元。

當(dāng)然，不同類型、不同運(yùn)載能力以及不同國家的不同火箭的一次發(fā)射總成本也很不相同。通常，小型火箭發(fā)射一次大約需要2000萬～3000萬美元，中型火箭發(fā)射一次大約需要6000萬～1.5億美元，大型火箭發(fā)射一次大約需要2億美元以上。

因此，如何降低發(fā)射成本，讓更多用戶有能力發(fā)射衛(wèi)星，是長征十一號(hào)火箭研制團(tuán)隊(duì)一直在思考的問題。

長征十一號(hào)火箭副總設(shè)計(jì)師管洪仁表示，目前長征十一號(hào)火箭研制團(tuán)隊(duì)正在通過不斷的技術(shù)改進(jìn)，在材料、設(shè)備上、操作流程上、產(chǎn)品系列化、型號(hào)通用化上下工夫，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上努力實(shí)現(xiàn)成本進(jìn)步一下降。

長征十一號(hào)火箭副總指揮金鑫表示，未來火箭研制團(tuán)隊(duì)將研制更大規(guī)模的商業(yè)型固體運(yùn)載火箭，力爭形成低軌道運(yùn)載能力覆蓋2噸的固體運(yùn)載火箭系列，具備發(fā)射成本不超過每千克1萬美元，發(fā)射周期不超過72小時(shí)的能力。

多種商業(yè)服務(wù)模式并存

隨著科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星和商業(yè)衛(wèi)星的蓬勃發(fā)展，“小體格”“快響應(yīng)”的衛(wèi)星發(fā)射需求越來越大。

為了吸引更多用戶，長征十一號(hào)火箭研制團(tuán)隊(duì)正在挖潛火箭運(yùn)載能力，例如，此次長征十一號(hào)火箭實(shí)施的“一箭六星”發(fā)射任務(wù)，其運(yùn)載能力較之前提升了20%。

另外，針對(duì)商業(yè)航天市場和多元的發(fā)射需求，長征十一號(hào)火箭項(xiàng)目組團(tuán)隊(duì)不斷探索新的服務(wù)模式，為用戶提供了優(yōu)化組合的發(fā)射資源配置等多種產(chǎn)品和服務(wù)。

“長征十一號(hào)火箭執(zhí)行的此次商業(yè)發(fā)射任務(wù)采用的就是組合發(fā)射方式，除了長光衛(wèi)星公司的視頻07、08兩顆主星外，其余4顆衛(wèi)星都采取了搭‘順風(fēng)車’的服務(wù)方式，目的是盡量滿足用戶的衛(wèi)星發(fā)射需求。相反，過去一些用戶想發(fā)射衛(wèi)星，等上一年都不一定能搭上合適的‘順風(fēng)車’。”劉佳佳說道。

針對(duì)長征十一號(hào)火箭未來的商業(yè)化道路。楊毅強(qiáng)表示，“未來我們還將推出‘太空專車’‘太空班車’‘太空順風(fēng)車’三種‘太空車’概念，以及為用戶提供星座組網(wǎng)服務(wù)的‘太空星網(wǎng)’一站式解決模式，推動(dòng)航天發(fā)射從定制模式走向‘招手即來’的Taxi模式。同時(shí)，我們還將推出積分制和會(huì)員制等多種合作模式，為國內(nèi)外商業(yè)小衛(wèi)星用戶提供訂制、眾籌、搭載發(fā)射服務(wù)，為商業(yè)小衛(wèi)星提供更舒適的搭乘環(huán)境。”