小卫星发射的可靠性

+ 张雪松/squirrel

小卫星发射的可靠性

+ 张雪松/squirrel

随着小卫星产业的迅猛发展，小卫星发射领域也开始驶入快车道，不仅涌现出一大批小型/超小型运载火箭，还出现了空射运载火箭甚至可重复使用运载火箭等新概念。新一代小卫星发射工具的出现，有望解决现在小卫星发射中费用过高和性能不足的问题，但另一个问题也随着付出水面：这些新兴小卫星发射工具是否可靠呢？

不容忽视的可靠性问题

商业航天尤其是小卫星发射中，运载火箭提供商一贯强调物美价廉等因素，但运载火箭的可靠性同样是不得不重视的核心问题，尤其是商业航天在一路高歌猛进之后，已经遭到了接二连三的打击：2014年10月轨道科学公司的安塔瑞斯火箭发射失败，同月维珍银河公司的太空船二号坠毁，2015年太空探索技术公司的猎鹰九号火箭发射失败。

商业航天发射的失败，对小卫星发射并非仅仅是个教训。搭载发射一直到现在也是小卫星尤其是纳卫星发射的主要方式，而轨道科学公司和太空探索技术公司的连续失败，对微纳卫星的发射规模造成了毁灭性的打击。美国SpaceWorks公司曾预测2015年1到50千克的微纳卫星发射数量有望达到200多颗，但安塔瑞斯和猎鹰九号火箭先后发生爆炸事故后，这两种微纳卫星主要的搭载运载工具都暂时停止发射，截止2015年8月仅仅发射了不到50颗微纳卫星。虽然2015年微纳卫星发射数量剧减，有过于依赖安塔瑞斯和猎鹰九号火箭搭载的特殊因素，但也提醒我们即使对廉价的小卫星和微纳卫星来说，可靠性仍是选择发射工具的一个重要因素。

小卫星发射目前主要采用小型火箭直接发射、中型火箭多星发射和大中型搭载发射方式等发射方式。即使是小型运载火箭发射，为了充分发挥运力一般也会使用一箭多星发射方式，如轨道通讯公司的第一代轨道通讯系统就是使用空射的飞马座小型运载火箭一箭多星部署的，至于现有的第聂伯河火箭、联盟火箭或是未来即将用于发射小卫星的猎鹰九号中型火箭，更是会选择一箭多星发射。一箭多星发射方式提高了单次发射失败带来的损失，即使小卫星相对廉价，也不可能承担得起成批损失的代价。运载工具的可靠性和发射成功率，仍是小卫星市场上选择发射工具时关注的核心问题之一。新一代小卫星运载工具在追求降低发射成本的同时，必须同时保证足够的发射成功率，才能在小卫星发射市场上生存下来。

新一代运载工具的可靠性

新一代运载工具即将参与小卫星发射市场的竞争，它们的卖点首先就是廉价。无论是资格较老的轨道科学公司或是太空探索技术公司提供的搭载发射，还是新兴的萤火虫空间系统和火箭实验室等创新性公司提供的小型运载火箭，或是美国空军和美国国防先进研究项目局投资开发的快速响应发射小火箭，以及维珍银河等公司的发射器系列空射火箭，都十分强调发射价格的低廉。我国的长征六号、快舟一号等小型运载火箭，同样十分强调降低发射成本。面对强调廉价的新一代小卫星运载工具，或许会有很多人疑惑是否“便宜没好货”，其实这是一个想当然的误解。

一般地说，产品的高可靠性需要高投入，这不仅意味着在研制过程中要高标准，在制造、检测和维护过程中也需要严要求。不过凡事也不可一概而论，随着技术的进步和经验的积累，即使在高投入高风险的航天领域，也可以用更低的投入获得足够的可靠性，新一代小卫星运载工具的可靠性，正是建立在航天工业过去几十年里研制生产技术不断进步和设计经验日益丰富的基础上的。

随着设计经验的丰富和技术的进步，现代运载火箭的设计已经相当成熟，如果不过分追求高性能的话，火箭设计并没有早期那样的挑战性难度。轨道科学公司成立后将固体洲际导弹改进为小型固体运载火箭，火箭的研制速度和发射成功率都相当出色，其难度与美国20世纪50年代研制固体弹道导弹的开创性的工作不可同日而语。现代设计制造中早已做到了计算机辅助设计仿真和三维数字化协同研制，不仅设计过程提前考虑工艺实现，而且做到三维数字模型直接下厂制造，降低了火箭研制的难度。以3D打印为代表的新工艺的出现，更是降低了火箭复杂部件制造的难度，并大大提高了相关分系统的可靠性。小卫星发射市场上涌现的新一代运载火箭，并没有像土星五号火箭或是航天飞机那样追求性能极致，而是借鉴航天工业几十年的火箭研制经验和设计，用成熟技术搭配组合的产物。正因为如此，这些小卫星发射工具具有较高甚至更好的固有设计可靠性。

火箭要发展，动力要先行。以美国的萤火虫α火箭为例，它的液氧甲烷发动机推力仅有44.5千牛/4.5吨，现代航天工业研制这种小型发动机早已轻而易举；萤火虫空间系统公司虽然是新兴的小公司，但它的设计师和工程师们也并非刚出校门进行万众创新的新手，其中甚至有参与航天飞机主发动机（SSME）预燃室设计改进的资深专家；萤火虫α的火箭发动机还使用了最简单也是最可靠的挤压循环，它的固有可靠性甚至要远高于大多数专业制造商生产的、历经多次发射考验的成熟火箭发动机。综合这些因素，萤火虫α火箭的动力系统并没有多大问题，这也为整个火箭的高可靠性奠定了坚实的基础。

新西兰的“电子”火箭在发动机上同样下了很大功夫，它的“卢瑟福”发动机不仅使用3D打印技术减少零件数量，降低研制和制造成本，同时也降低了发动机出现故障的概率，还使用了独特的电驱动涡轮泵技术。众所周知，除了最简单的挤压循环外，火箭发动机的其他循环方式都需要涡轮泵输送推进剂，驱动涡轮需要预燃器或是燃气发生器产生高温高压的气体，涉及到复杂的高压防热、防氧化和结碳等问题，一向是传统火箭发动机研制的核心和难点，对设计制造要求极高，而电动机则可以避免这些麻烦。电动机用于涡轮泵的想法并不罕新鲜，但电力来源却是一个大问题，得益于现代高容量锂电池技术的不断发展，电池能量密度已经达到了过氧化氢催化分解的水平，而后者正是老而弥坚的联盟火箭主发动机驱动涡轮泵的选择。

随着现代电子工业的飞速发展，运载火箭的制导导航和控制系统研制难度和成本也显著降低，小型运载火箭更是受益于先进微电子和微机电技术的进步，得以在低成本下实现老一辈航天人梦寐以求的性能，并做到了更高的可靠性。现代材料工业的进步也为小型运载火箭带来了福音，现代航天工业中碳纤维复合材料得到了广泛的应用，固体火箭发动机或是火箭整流罩使用碳纤维复合材料早已司空见惯，液体推进剂的碳纤维复合材料储箱也屡见不鲜。萤火虫α和“电子”火箭液体运载火箭全面使用碳纤维复合材料箭体虽然是首见，但并没有根本性的技术和工程障碍。现代检测技术的进步，同样给小卫星运载工具带来了巨大的便利，尤其是对小型运载火箭莱说，火箭监测和维护的难度进一步降低，这都意味着火箭可靠性的提高。

简而言之，即将登场的新一代小卫星运载工具虽然缺乏质子和联盟火箭那样成百上千的发射记录，但它们受益于现代航天工业设计和制造的全面进步，仍然具有很高的可靠性，它们欠缺的仅仅是实际发射几率积累的成功率数据。其实这种趋势在猎鹰九号火箭上就已经表现出来，太空探索技术公司是一家新兴公司，很长时间里人们也怀疑猎鹰九号火箭能否在发射成功率上和久经考验的老式运载火箭竞争，但即使今年出现了第一次彻底的发射失败，猎鹰九号火箭的发射成功率仍然远高于质子火箭。

新一代运载工具的可靠性

航天发射追求高可靠性和高成功率绝非偶然，虽然运载火箭的发射价格始终居高不下，但现有的绝大多数发射中，卫星飞船和探测器等载荷的价格要高于甚至远高于按运载火箭。最极端的例子莫过于美国著名的“好奇号”火星车，“好奇号”的造价高达25亿美元，而发射它的宇宙神5火箭却只有这个价格的十分之一，从这个角度看大中型火箭不惜代价追求高成功率，实在是顺理成章天经地义。不过在小卫星领域，随着技术发展小卫星和微纳卫星日益廉价，情况却有了很大的不同。

小卫星尤其是微纳卫星的造价相当便宜，对发射失败的容忍性较高，这就意味着小卫星发射工具并不需要像发射深空探测器和载人飞船的运载火箭那样不惜代价的追求可靠性。轨道通讯公司的第二代轨道通讯试验星第一次搭载猎鹰九号火箭，由于火箭发动机故障未能进入预定轨道，但造成1000万美元的损失，但与大型卫星发射失败的损失相比微不足道。轨道通讯公司正式组网的18颗第二代通讯星发射订单，也仍由太空探索技术公司的猎鹰九号火箭发射。172千克的小卫星Orbcomm-2尚且如此，微纳卫星对发射失败的容忍更高，今年SpaceWorks公司对微纳卫星发展忧心忡忡的分析，首先提及的是小微纳卫星年度发射数量的降低，而不是发射失败带来的惨重损失，微纳卫星低廉成本带来的优势跃然纸上。

或许正是因为如此，小卫星发射工具虽然也有猎鹰九号火箭那样打算用于载人发射而在设计上专门考虑的特例，但更多并没有刻意追求超高可靠性，它们的可靠性更多是设计制造技术进步的结果，在降低设计制造成本的同时也提高了火箭发射的可靠性和成功率。对于俄罗斯Lin Industrial公司或是挪威计划研制小型运载火箭的公司来说，它们专用于发射纳卫星的运载火箭甚至不排除为了追求廉价而降低对可靠性的要求。