SpaceX 公司“一箭143 星”任務分析

李侃（北京空間科技信息研究所）

美國東部時間2021 年1 月24 日10:00，美國太空探索技術公司（SpaceX）利用獵鷹－9（Falcon－9）運載火箭從卡納維拉爾角航天發(fā)射場發(fā)射升空，以“一箭143 星”的方式，實施了代號為運輸者－1（Transporter－1）的小衛(wèi)星拼單發(fā)射任務，將10 顆“星鏈”（Starlink）衛(wèi)星和133 顆微小衛(wèi)星送入軌道高度560km、傾角97.6°的極軌道，打破了印度利用極軌衛(wèi)星運載火箭－XL（PSLV－XL）在2017 年2 月創(chuàng)造的“一箭104 星”單箭多星世界記錄。

1 任務基本情況

本次任務是SpaceX 公司“小衛(wèi)星拼單計劃”下的首次專享拼單發(fā)射任務。該公司于2019 年8 月宣布要開展小衛(wèi)星拼單發(fā)射業(yè)務，打算每年都要開展3 次專享太陽同步軌道拼單發(fā)射，還要在獵鷹－9 發(fā)射“星鏈”衛(wèi)星和開展太陽同步軌道或其他極軌道發(fā)射任務時提供更多的拼單服務。收費標準為200kg（含以下）價格為100 萬美元，超過200kg 的5000 美元/千克。

這是SpaceX 公司首次把“星鏈”衛(wèi)星部署到極軌道。自2019 年5 月組網(wǎng)發(fā)射啟動以來，SpaceX 公司已通過18 次專項組網(wǎng)發(fā)射任務將1073 顆“星鏈”衛(wèi)星送入軌道。加上2018 年初發(fā)射的2 顆“丁丁”原型衛(wèi)星，此前已發(fā)射“星鏈”衛(wèi)星總數(shù)為1085 顆。截至2021 年1 月20 日專項組網(wǎng)發(fā)射時，有64 顆已離軌再入。

除“星鏈”衛(wèi)星外，本次發(fā)射箭上攜帶的其他133 個有效載荷涉及遙感、物聯(lián)網(wǎng)通信和技術驗證等各種用途，其中立方體衛(wèi)星占了絕大多數(shù)。

本次發(fā)射作為一次太陽同步軌道任務，自然少不了遙感衛(wèi)星的身影。箭上載有日本QPS 研究所（iQPS）、美國卡佩拉空間公司（Capella Space）和芬蘭冰眼公司（ICEYE）的合成孔徑雷達（SAR）衛(wèi)星，還載有加拿大溫室氣體衛(wèi)星公司（GHGSat）的溫室氣體衛(wèi)星－C2[GHGSat－C2，又名“雨果”（Hugo）]。單從衛(wèi)星數(shù)量上說，本次任務的最大客戶是美國行星公司（Planet），共有48 顆鴿群－4s（Flock－4s）遙感立方體衛(wèi)星。箭上還載有美國斯派爾公司（Spire）的8 顆狐猴－2（Lemur－2）遙感立方體衛(wèi)星。

箭上還載有美國蜂群技術公司（Swarm Technologies） 的36 顆0.25U（ 尺 寸 為2.5cm×10cm×10cm）“太空蜜蜂”（SpaceBee）物聯(lián)網(wǎng)服務衛(wèi)星。加拿大創(chuàng)企開普勒通信公司（Kepler Communications） 和瑞士創(chuàng)企宇宙播報公司（Astrocast）也各有8 顆和5 顆物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)衛(wèi)星隨同上天。

箭上攜帶的另一個有效載荷是美國空間飛行公司（Spaceflight）的夏爾巴－FX（Sherpa－FX）機動部署器衛(wèi)星，與火箭分離后，將在軌釋放13 顆微小衛(wèi)星。此外，意大利D-軌道公司（D-Orbit）也有一個類似衛(wèi)星部署器在本次發(fā)射任務中上天，攜帶有20 顆微小衛(wèi)星。上述兩個部署器本身也被列為本次發(fā)射的有效載荷，原因在于它們還另外載有其他一些不分離的有效載荷，因此具備衛(wèi)星部署以外的功能。

2 衛(wèi)星適配器概況

本次任務有別于SpaceX 公司以往的“星鏈”專箭發(fā)射任務，僅在軌部署10 顆“星鏈”衛(wèi)星，將整流罩內(nèi)大部分空間留給其他133 顆微小衛(wèi)星。運輸者－1 任務全部143 顆衛(wèi)星有效載荷在整流罩內(nèi)分布包括4 層結(jié)構：上方3 層“漸進型一次性運載火箭次級有效載荷適配器”（ESPA）環(huán)結(jié)構以及下方1 層“星鏈”衛(wèi)星專用適配器結(jié)構。本次除“星鏈”外的133顆微小衛(wèi)星全部固定安裝在上方3 層ESPA 環(huán)結(jié)構上，共分11 批次在軌部署。

本次運輸者－1 任務并非SpaceX 公司開展的首次運載共享任務，早在2018 年12 月開始，SpaceX公司就開始在“星鏈”發(fā)射任務中搭載少量微小衛(wèi)星載荷。經(jīng)過約1 年試驗嘗試，該公司于2019 年12 月對外發(fā)布《有效載荷運載共享用戶指南》，就衛(wèi)星搭載要求、機械和電氣接口標準、流程規(guī)范進行說明，其實現(xiàn)單箭大量衛(wèi)星搭載的核心是ESPA 技術。

20 世紀90 年代末，美國國防部為更高效利用運載火箭的冗余承載能力，提出在宇宙神－5（Atlas－5）和德爾他－4（Delta－4）軍用火箭任務中加裝次級有效載荷適配器的概念，具體由空軍研究實驗室空間飛行器部（AFRL/RV）的“空間試驗計劃”（STP）實施。經(jīng)過20 余年發(fā)展，ESPA 技術與標準已日趨成熟，并開始在商業(yè)公司非軍用火箭上得到應用。

運輸者－ 1 使用了1 層15 英寸（約38.1cm）機械接口版和2 層24 英寸（約61cm）機械接口版的ESPA 環(huán)結(jié)構，但實際發(fā)射最小衛(wèi)星僅為2.5cm×10cm×10cm，遠小于最小尺寸限制要求，實際多星任務實施采取了以下兩種模式。

（1）直裝模式

該模式適用于衛(wèi)星尺寸符合15 英寸或24 英寸機械接口條件。如本次任務發(fā)射的日本QPS 公司的QBS-合成孔徑雷達－2（QBS-SAR－2）衛(wèi)星安裝在第2 層24 英寸ESPA 環(huán)的1 個獨立機械接口上，火箭發(fā)射后由適配器單獨彈出，一步完成在軌釋放。

（2）拼單模式

該模式適用于衛(wèi)星尺寸不符合（小于）機械接口條件，是本次發(fā)射任務中大部分衛(wèi)星采用的模式，這些衛(wèi)星多為立方體衛(wèi)星，采用立方體衛(wèi)星部署器，如本次任務芬蘭的“冰眼”（ICEYE）衛(wèi)星通過衛(wèi)星部署器雙星同時釋放部署，或機動部署器衛(wèi)星二次部署，如本次任務安裝在第2 層24 英寸ESPA 環(huán)上的夏爾巴－FX 機動部署器衛(wèi)星，攜帶有化學推進器和13顆微小衛(wèi)星，從獵鷹－9 火箭ESPA 接口分離后，再通過自身軌道機動完成對搭載微小衛(wèi)星的釋放。

本次143 顆衛(wèi)星大部分為立方體衛(wèi)星，主要采取了“拼單模式”安裝與部署，即多顆衛(wèi)星共用1 個ESPA 環(huán)機械接口，在軌成批完成部署。

SpaceX 公司運輸者－ 1 任務有效載荷分布示意圖（來源：SpaceX）

3 幾點分析

SpaceX 公司將促進全球商業(yè)航天市場良性發(fā)展

本次“一箭143 星”發(fā)射任務成功實施有效填補了SpaceX 公司在商業(yè)航天版圖中的短板—微小衛(wèi)星發(fā)射領域，標志著SpaceX 公司建立起由大中小型衛(wèi)星商業(yè)發(fā)射服務、商業(yè)貨物運輸服務、商業(yè)乘員運輸（載人航天）服務、低軌寬帶通信服務等構成的全業(yè)務范疇，涵蓋衛(wèi)星制造、發(fā)射與運管、應用全產(chǎn)業(yè)鏈條。“衛(wèi)星拼單”概念從提出至今已有數(shù)十年時間，特別對微小衛(wèi)星領域發(fā)展起到了促進作用，全球進入太空門檻逐漸降低。表面上看，SpaceX 公司此舉將對新興商業(yè)運載公司，特別是小型運載火箭公司造成嚴重沖擊，其發(fā)射報價遠低于業(yè)內(nèi)其他公司，同時得益于“獵鷹”系列回收使用和高可靠性，必將使其快速占有微小衛(wèi)星發(fā)射領域市場。但從長遠上看，低成本、高可靠的服務模式將使全球航天用戶直接受益，并在某些領域充分發(fā)揮“鯰魚效應”，打破原有的技術、產(chǎn)業(yè)壟斷發(fā)展模式，促進商業(yè)航天，乃至全球航天發(fā)展良性循環(huán)，刺激新概念、新技術研發(fā)與進步。

火箭運載共享發(fā)射目前仍存在較多限制

按照SpaceX 公司規(guī)劃，平均每4 個月提供一次運載共享發(fā)射機會，但僅能將合作衛(wèi)星載荷送至主載荷目標的“既定軌道”。以本次運輸者－1 任務為例，此次10 顆“星鏈”衛(wèi)星是任務的主載荷，目標軌道確定為高560km、傾角為97.6°的極軌道，其他133 顆衛(wèi)星無一例外，全部都將運行在相同的極軌道。用戶在選定運載共享服務的同時也必須接受“隱藏條款”，一旦任務設計軌道、外形尺寸超出服務限制，都無法適用于價格低廉的運載共享發(fā)射服務。雖然SpaceX 公司掌握有多軌道分批部署技術，但至今僅在2019 年“獵鷹重型”（Falcon Heavy）運載火箭發(fā)射任務中進行過試驗，其燃料大量消耗帶來的成本增加問題，短期內(nèi)無法得到有效解決。

衛(wèi)星批量搭載和隱蔽部署技術商業(yè)化基本成熟

此次SpaceX 公司“一箭143 星”任務成功實施，對外充分展示出了美國衛(wèi)星商業(yè)批量搭載應用趨于成熟。實際上，美國已發(fā)展出多種商業(yè)化衛(wèi)星搭載系統(tǒng)，業(yè)務范圍涵蓋低地球軌道（LEO）、中地球軌道（MEO）、地球靜止軌道（GEO）等多種軌道類型，能獨立開展業(yè)務或組合應用（如本次任務“夏爾巴”衛(wèi)星通過獵鷹－9 火箭發(fā)射，在軌釋放分離后，再獨立部署13 顆微小衛(wèi)星）。這些商業(yè)服務多數(shù)以成熟軍用技術為基礎，能確保系統(tǒng)穩(wěn)定性、使用可靠性，同時國會立法者支持國防部采用商業(yè)技術研發(fā)軍用系統(tǒng)，一旦未來軍商建立合作機制，美軍將具備低成本、高可靠、快速批量微小衛(wèi)星部署能力，對其他國家在軌資產(chǎn)構成威脅。特別地，利用上述手段在高軌部署微小衛(wèi)星兼具隱蔽性特點，也對其他國家的太空域感知能力發(fā)展提出更高要求，需持續(xù)關注。