織女星：開啟歐洲拼車式發射服務序章

文 / 楊開

2020年9月3日，阿里安航天公司成功利用織女星小型火箭執行“小衛星任務系統”方案驗證任務。織女星火箭在2019年7月遭遇失利之后，成功實現復飛。

織女星火箭共發射了53顆微小衛星，來自13個國家的21個用戶，其中7顆是質量在15～150千克之間的微衛星，另外46顆為0.25U～6U的立方星，衛星及適配器的總重大約為1310千克。在7顆微小衛星中有一顆比較特殊，稱為“ION衛星載具”，是意大利D-軌道公司的立方星部署裝置，本身搭載了12顆立方星。如果把這12顆衛星算上，織女星火箭此次實際上共將65個載荷送入了太空。

▲ 火箭起飛

完善歐洲火箭型譜最后一環

執行本次任務的織女星火箭為四級小型運載火箭，700公里太陽同步軌道運載能力1430千克。火箭采用三級固體加常溫液體上面級的四級構型，其上面級是從烏克蘭引進，稱為“姿態微調上面模塊”（AVUM），具備多次啟動能力。

截至2020年9月3日，織女星火箭共執行15次發射任務，遭遇1次失利。2019年7月，“織女星”在執行阿聯酋的獵鷹眼軍事偵察衛星發射時，由于二級熱防護結構失效導致發射失敗，星箭俱毀，造成航天領域史上最高的保險賠付金額——3.69億歐元。而事故原因是由于質量檢測環節沒有發現二子級熱防護結構厚度比設計值低，火箭帶著問題上天，最終導致發射失敗。

織女星火箭由歐空局出資，意大利艾維歐公司研制，阿里安航天公司負責發射服務運營，自2012年投入使用，在阿里安5大型火箭以及從俄羅斯引進的聯盟號ST中型火箭之后，彌補了歐洲在1噸左右的小型載荷發射能力上的缺失，形成了完整的運載火箭型譜。近年來，隨著微小衛星的快速發展，衛星尺寸和質量出現更大幅度的下降之后，“織女星”也順理成章地成為歐洲進行小衛星拼車發射任務驗證和應用的試驗田。

歐洲還在研制運載能力更大的織女星C火箭。該火箭采用更大規模的一二子級固體火箭發動機，運載能力提升到2噸以上，任務范圍也大幅拓展，不僅能夠利用SSMS執行多星拼車發射服務，還能夠配合電推力上面級將載荷送入同步軌道，或者配合“太空騎手”軌道飛行器將載荷返回地面，能夠吸引更多的微小衛星廠商。

▲ 織女星共發射53顆小衛星（實際65個載荷）

▲ 織女星火箭三子級、上面級和整流罩內的載荷

SSMS拼車發射系統解決方案

本次任務的重要目標就是驗證稱為“小衛星任務系統”（SSMS）的微小衛星拼車發射服務方案。阿里安航天公司將SSMS的任務形式分為兩類：第一類就是專門為多顆微小衛星提供拼車發射服務，就像本次任務一樣，53顆衛星之間并不區分主次；第二類是在有1顆主星的情況下，可以為主星匹配多顆微小衛星。SSMS能夠匹配的衛星類型非常廣泛，質量范圍覆蓋0.2千克到500千克之間，再配合上述兩種任務類型，能夠提供非常靈活的發射機會，對于微小衛星廠家而言具有很大的吸引力。在SSMS方案下，為了實現大量小衛星的拼車發射，重點要解決以下三個方面的問題。

緊湊造型——結構和尺寸如何容納眾多大小不一的小衛星？

為了實現SSMS，關鍵是能夠匹配大量小衛星的分配器。SSMS的“樂高式”分配器將有效載荷空間分為上下兩部分：下部采用六棱柱支撐模塊，可以容納6顆納衛星或12個立方星部署器，在進入發射場前完成載荷安裝；上部采用一個支撐板模塊，配合塔型模塊或柱形模塊，可安裝微衛星、迷你衛星和小衛星，在發射場內進行安裝。分配器的下部可以單獨使用，配合一顆主星搭載納衛星或立方星發射使用。SSMS通過模塊化的設計，不同模塊之間可以用桿和隔板進行固定或調整。

▲ 改進之后的織女星C具備5類任務發射能力

SSMS分配器全部采用低密度鋁合金夾層結構，以高分子聚合物作為表面保護材料，實現結構重量的最小化。

本次任務作為SSMS的方案驗證任務，采用了較為復雜的組合形式，代號為FLEX-3。底部為六棱柱結構，安裝了12個獨立的立方星部署器，每個面上安裝2個部署器，共攜帶46顆立方星。支撐板上部安裝了1個圓柱形模塊和3個塔形模塊，共搭載7顆微衛星。其中，支撐板上顆直接安裝3顆，3個塔形模塊頂端分別安裝1顆，柱形模塊頂端安裝1顆。

不同位置安裝的衛星尺寸和重量都有限制，每個位置的上限如下頁表所示。

▲ SSMS樂高式的分配器模塊，通過不同的組合方案大幅提升任務靈活性

本次任務中采用FLEX-3分配器對載荷尺寸和質量的限制

▲ 本次任務中采用的FLEX-3分配器結構示意圖（底部灰色部分為織女星火箭的1194適配器）

最優線路——火箭飛行彈道做了優化

本次任務的53顆衛星其質量大約為770千克，而FLEX-3分配器質量約為459千克，再加上1194適配器的81千克質量，入軌總重約為1310千克，和織女星火箭運載能力上限1430千克相比，還有一定余量，允許為多星部署進行軌道優化。

設計人員充分利用AVUM上面級的重啟能力，在任務過程中設計了5次點火啟動。其中前2次啟動將上面級和載荷送入高度大約為515公里的太陽同步軌道，完成7顆微衛星的分離入軌。AVUM再經歷2次短時間的啟動后，將軌道高度調整至大約530公里，完成剩余的46顆小衛星的部署。最后，通過第5次啟動完成離軌機動，避免上面級對軌道環境產生影響和污染。

規律部署——如何合理地對分離機構和分離時序進行設計？

在SSMS任務中，為了保證載荷可靠分離，采用了兩類分離機構。一類是由美國行星系統公司研發的MLB系列包帶式分離系統，采用彈簧、推桿、開關和連接器等機械結構，通過電機驅動實現解鎖，接口直徑包括29.7厘米、33厘米和38.1厘米三種。相比傳統火工解鎖方式，大幅降低了分離沖擊，有利于實現多星部署。這類分離機構用于安裝在支撐板模塊上方的7顆微衛星。另一類是專門用于立方星分離的部署器，包括美國太瓦克公司6NLAS部署器、荷蘭空間創新系統公司的QuadPack和ISIPOD部署器等，能夠實現多個立方星的可靠分離和時序控制，避免立方星之間產生干涉，同樣也是基于機械分離方式的非火工方案。

▲ SSMS任務中的微衛星采用行星系統公司的MLB系列包帶式分離系統

▲ 分離時序的示意圖

▲ 太瓦克公司的6NLAS立方星部署器

本次任務將53顆衛星分為2組分別部署在高度略有差異的兩個軌道上。在AVUM上面級完成2次點火工作，進入高度約515公里的太陽同步軌道后，安裝在FLEX-3柱形模塊和塔形模塊上的4個微衛星先依次分離，分離時間間隔在1秒到2秒之間。之后，AVUM上面級會經歷時長大約500秒的無動力滑行階段，滑過大約半個軌道后，幾乎同時釋放安裝在支撐板上的3個微衛星。在分離前，AVUM會利用姿控系統完成2米每秒的小幅機動，保證3顆衛星軌道略有差異，不會發生碰撞。

▲ 荷蘭空間創新系統公司的QuadPack立方星部署器

之后，AVUM上面級進行第三次和第四次點火，進入高度約530公里的軌道，利用立方星部署器，依次釋放安裝在底部六棱柱模塊的46個立方星，分離的時間間隔大約為5秒（部分情況下會有2顆衛星同時分離），在3分鐘的時間內完成部署。分離時序的示意如下圖所示。因為立方星不必擔心被上面級姿控系統推力器的排放物污染或影響，所以在立方星分離的3分鐘內，上面級姿控系統一直持續工作，保證立方星之間不會發生碰撞。另外，姿控系統在最后部署階段能夠持續工作，還提高了任務靈活性——如果臨時更換或減少了某些立方星導致整體質心發生變化，姿控系統也能夠保證分離過程不受影響。

在微小衛星快速發展的大背景下，歐洲順勢而為，利用“織女星”成功完成一箭53星任務，不僅能夠解決歐洲各類研究機構對于小衛星發射機會的需求，也讓原本就注重商業市場的歐洲發射服務業更具有競爭力。尤其是采用SSMS系統之后，能夠充分利用織女星火箭的性能和上面級多次啟動能力，而且匹配微小衛星的范圍也非常廣泛，首飛即能夠組織13個國家的21家用戶，足以說明其競爭力。