火箭末級搭載：小型載荷進(jìn)入太空的新途徑

尚輝 孟翔 李同玉 焦君 張群（中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院）

小衛(wèi)星已成為國內(nèi)外商業(yè)航天的一大熱點(diǎn)，擬進(jìn)入太空的小衛(wèi)星逐年增多，但由于目前發(fā)射渠道較少，又受任務(wù)運(yùn)載能力、目標(biāo)軌道、履約周期等制約，可用機(jī)會較少，且價(jià)格昂貴，進(jìn)入太空絕非易事。另一方面，有很多小衛(wèi)星的任務(wù)在于完成星上小型試驗(yàn)載荷的空間試驗(yàn)驗(yàn)證等目的，進(jìn)入太空即可實(shí)現(xiàn)其主要目的，而這些試驗(yàn)載荷本身對軌道、朝向等要求并不高。

針對以上情況，中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院提出了“火箭末級搭載”業(yè)務(wù)模式。即將上述載荷及其配套組件（下文統(tǒng)稱“末級搭載載荷”）直接安裝在運(yùn)載火箭末級（含上面級）上，在火箭執(zhí)行發(fā)射任務(wù)期間，隨火箭一起進(jìn)入太空，在火箭主任務(wù)完成后，搭載載荷隨火箭末級在太空漂移期間，完成其試驗(yàn)驗(yàn)證等任務(wù)?；鸺┘壌钶d作為一種新型發(fā)射服務(wù)業(yè)務(wù)模式，為小型載荷進(jìn)入太空開辟了一條新的途徑。

1 火箭末級搭載的優(yōu)勢

據(jù)調(diào)查分析，相當(dāng)一部分小衛(wèi)星項(xiàng)目，其核心目的在于將試/實(shí)驗(yàn)載荷送入太空。而這些試/實(shí)驗(yàn)載荷全系統(tǒng)總質(zhì)量僅為幾百克到幾千克，相當(dāng)于火箭上一臺系統(tǒng)單機(jī)的質(zhì)量，增加這一質(zhì)量對火箭的運(yùn)載能力影響很小。而這類試/實(shí)驗(yàn)載荷需要的往往是最基本的發(fā)射服務(wù)——“進(jìn)入太空”，即在太空完成試驗(yàn)驗(yàn)證或?qū)嶒?yàn)，并將數(shù)據(jù)傳回地面。這類任務(wù)包括：元器件在軌試驗(yàn)或驗(yàn)證、微重力實(shí)驗(yàn)、生物的太空輻照培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)等。

對這類試/實(shí)驗(yàn)載荷來說，相較于安裝在小衛(wèi)星上再由火箭發(fā)射，將其及配套系統(tǒng)直接安裝在火箭末級會更加直接便捷，且分享和復(fù)用了火箭的結(jié)構(gòu)，減輕了一部分發(fā)射質(zhì)量，降低了發(fā)射成本。此外，由于不要求分離，小載荷搭載的安裝方式相對簡單，一般只需安裝在火箭末級受整流罩保護(hù)區(qū)域上的合適位置，簡單的安裝接口可進(jìn)一步降低發(fā)射成本。

航天運(yùn)輸系統(tǒng)和發(fā)射服務(wù)的理念是：每個(gè)進(jìn)入太空的機(jī)會都是一種資源，而發(fā)射服務(wù)本身即是創(chuàng)造和利用這種資源的過程。小衛(wèi)星搭載等業(yè)務(wù)模式是對主任務(wù)中剩余資源的利用，而火箭末級搭載模式是對這種資源的進(jìn)一步利用。同時(shí)，與將小衛(wèi)星送入太空并實(shí)現(xiàn)分離的發(fā)射任務(wù)相比，火箭末級搭載還可以減少太空垃圾，讓更多小型載荷與火箭末級捆綁在一起，可減少空間物體的數(shù)量，方便后續(xù)空間碎片的跟蹤、規(guī)避與處置。

2 典型案例

盧森堡-4M探月載荷火箭末級搭載項(xiàng)目

2014年10月24日，長征三號乙火箭完成中國探月工程三期再入返回飛行試驗(yàn)發(fā)射任務(wù)的同時(shí)，還有一個(gè)名為盧森堡-4M的探月小型載荷隨著火箭三子級一起進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道，并完成了繞月飛行。該末級載荷由歐洲OHB集團(tuán)下屬盧森堡空間公司研制，額定任務(wù)期為196h，主要科學(xué)目的是在繞月飛行過程中完成長效電池性能驗(yàn)證試驗(yàn)、輻照計(jì)部件測試等。根據(jù)給定的發(fā)射計(jì)劃、經(jīng)費(fèi)預(yù)算及火箭搭載空間，中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院為用戶設(shè)計(jì)了火箭末級搭載方案：在火箭第三級頂部主有效載荷下方的火箭儀器艙支架板上安排了一個(gè)搭載空間。這個(gè)小型載荷進(jìn)入太空后，按計(jì)劃在軌開機(jī)，并以業(yè)余無線電頻段回傳信號，信號內(nèi)容包括時(shí)間、電源電壓、電流、溫度、軌道輻照值等參數(shù)，來自世界五大洲幾十個(gè)國家的60多個(gè)業(yè)余無線電愛好者和組織接收到信號。盧森堡-4M完成了地月往返環(huán)繞飛行，于2014年11月11日發(fā)送了最后一幀信號后進(jìn)入靜默，圓滿完成了各項(xiàng)試驗(yàn)任務(wù)。全球首個(gè)探月商業(yè)搭載發(fā)射服務(wù)項(xiàng)目圓滿完成。

豐臺少年一號和科創(chuàng)KS-1Q火箭末級搭載項(xiàng)目

2016年11月10日，長征十一號Y2運(yùn)載火箭發(fā)射成功，完成了“一箭五星”的衛(wèi)星發(fā)射。同時(shí)，另外兩個(gè)載荷——豐臺少年一號和深圳科創(chuàng)航天公司的KS-1Q，也以火箭末級搭載的形式隨運(yùn)載火箭末級進(jìn)入太空。兩個(gè)小型載荷均順利完成在軌工作，再次證明了火箭末級搭載模式的有效性。

3 未來發(fā)展方向

衛(wèi)星與火箭分離后、與地面建立聯(lián)系前的這段時(shí)間是風(fēng)險(xiǎn)期。通常，此時(shí)衛(wèi)星的主要功能尚未啟動(dòng)、測控尚未捕獲、姿態(tài)仍未獲得，有些衛(wèi)星的太陽帆板沒有打開……需要一段時(shí)間的一系列調(diào)整。小衛(wèi)星和末級搭載載荷因?yàn)轶w積小，地面更加難以捕捉和跟蹤，面臨的風(fēng)險(xiǎn)更大。

未來，在開展末級搭載服務(wù)的同時(shí)，將嘗試開展由火箭末級提供的稱為“早期看護(hù)”的服務(wù)。剛剛分離的火箭末級還保持著與地面通信并回傳位置信息的能力，加上末級本身較大的體積，更有利于地面跟蹤，搭載在其上的小型載荷也能夠一并跟蹤。如需要，還可以改進(jìn)末級，使之能夠在入軌早期轉(zhuǎn)發(fā)小型載荷的狀態(tài)信息。

另外，如任務(wù)允許，火箭末級可利用剩余推進(jìn)劑完成一定的軌道機(jī)動(dòng)，提供更有利于小型載荷的軌道和姿態(tài)。此外，隨著市場需求的牽引和技術(shù)升級，火箭末級還可提供升級的服務(wù)，如安裝太陽能電池、天線等，為載荷提供供電、通信等服務(wù)。

此外，在部分發(fā)射任務(wù)中，火箭末級能夠進(jìn)入軌道理論壽命極長的中高軌道，這類任務(wù)的火箭末級還可以作為將紀(jì)念物在宇宙空間長期留存的平臺。

4 結(jié)束語

“十三五”期間，我國“長征”系列火箭將迎來新一輪高密度發(fā)射期，僅中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院抓總的“長征”火箭型號就將有數(shù)十次發(fā)射，其任務(wù)目標(biāo)軌道涵蓋中、高、低各類軌道，可為開展火箭末級搭載業(yè)務(wù)創(chuàng)造豐富的機(jī)會。

火箭末級搭載模式為商業(yè)小型載荷進(jìn)入太空提供了低成本和快捷的渠道。其也成為航天商業(yè)發(fā)射服務(wù)的一種新模式，為客戶提供了一種新的選擇。

在經(jīng)過兩次發(fā)射、三組載荷的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)積累之后，作為進(jìn)入太空、利用太空的新途徑，火箭末級搭載已經(jīng)穩(wěn)步走向成熟。今后這一新興模式將進(jìn)一步向市場推廣，通過這一新渠道，讓“長征”火箭為航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供更大的支持。