发展空基发射小卫星技术的意义和途径

姜秀鹏 傅丹膺 李黎 常新亚 （航天东方红卫星有限公司）



发展空基发射小卫星技术的意义和途径

姜秀鹏 傅丹膺 李黎 常新亚 （航天东方红卫星有限公司）

Significance and Means of Developing Technologies for Air Launching Small Satellite

随着小卫星功能密度的增加，小卫星的发射市场呈现出日益增长的势头。目前的小卫星多数是采用陆基运载火箭发射，相对发射费用高，准备周期长，与日益增长的小卫星发射需求不相适应，急需寻找一种能够以负担得起的成本将小卫星送入太空的方法。而空基发射由于具有机动、灵活、高效、廉价等优势，成为一种必然选择。

1 引言

空基发射小卫星是指利用载机将运载火箭携带到一定高度释放，运载火箭携带有效载荷入轨，载机安全返回地面的空天运载模式。其目的是利用空基发射机动灵活的优势，形成快速进入空间的能力。与其他发射方式相比，空基发射卫星具有发射费用低、发射准备时间短、机动性及灵活性好等一系列优点，故在技术条件成熟的情况下是一个较好的选择。

空基发射小卫星概念具有极高的军民应用价值及广阔的应用前景，世界上以美国为首的航天大国均十分重视发展空基发射卫星技术。1990年4月5日，美国“飞马座”运载火箭第一次试飞成功，宣告了空射时代的到来。在此基础上，美国又发展了飞马座－XL。到目前为止，“飞马座”和飞马座－XL先后发射了多颗军用小卫星和民用小卫星，每次发射费用仅为地面发射同样常规火箭时的1/2。

国外特别是美国的空基发射小卫星技术正在快速发展，并已经呈现出多平台发展的趋势，需要引起高度重视。

2 国外空基发射小卫星技术的现状

“飞马座”小型空射运载火箭

美国“飞马座”运载火箭是迄今为止世界上唯一投入商业运营的空射运载火箭，由美国轨道科学公司和赫尔克里士航空航天公司合资组成的风险企业投资并负责研制，从1990年4月5日开始进行发射，主要用于将小型卫星送入近地轨道，进行微重力试验、材料试验、通信、定位、地球资源探测或完成其他特殊任务。该火箭分为标准型和加长型XL，采用下挂式发射，整流罩长1.83m、直径1.17m，可将272kg的卫星送入463km的极地圆轨道, 其发射费用为地面常规火箭的一半。

“飞马座”火箭发射卫星

“火箭飞机”发射卫星

“空中发射辅助太空进入”项目

美国国防高级研究计划局（DARPA）于2011年发布了“空中发射辅助太空进入”（ALASA)计划，拟采用改进的F－15E战斗机作为载机，外挂运载，目标是能够以低于100万美元的单次发射成本发射质量约45kg的卫星。这将为低成本小型卫星的广泛使用铺平道路。同时，该火箭在更换载荷之后，亦能执行反卫星任务。

DARPA原计划在2015年末进行第一次飞行验证，2016年上半年进行第一次轨道发射，然后根据测试结果，将在2016年夏季进行12次演示验证发射。但由于两次机载系统燃料试验失败，近期，DARPA宣布取消2016年的飞行试验计划。

平流层发射系统项目

美国正在发展一款由私营公司研制、绰号为“大鸟”的超级“火箭飞机”，该机翼展117m,长度72m，质量544311kg，最大速度850km/h，设计搭载6个波音747级别的发动机，预计在2016年首飞，可以将火箭运至空中发射，将6.1t的卫星送入180～2000km的近地轨道。

发射者－1空射小型运载火箭

维珍银河公司2012年已经开始研制小型卫星发射火箭发射者－1。火箭将从该公司白色骑士－2载机上发射，能发射最高质量为225kg的卫星，预计完成这一任务的价格可能低于1000万美元，将为商业小卫星提供发射服务。其首次商业飞行可能在2016年执行。

白色骑士－2飞行图

飞行号空射运载火箭项目

飞行号是俄罗斯于20世纪90年代提出的项目，以安－124运输机为平台，计划挂载近百吨级运载火箭，具备将2～3t卫星送入200km近地轨道的能力。项目原计划于2003年年底进行首飞，后因技术及资金问题而被搁置。2012年，俄罗斯宣布与印度尼西亚合作重启空中发射项目，并计划于2020年实施“空中发射”方案，载机选为安－225飞机。

国外发展现状与趋势

总结国外空基发射卫星的发展情况，可以看出：

1）在空基发射卫星方面，美国处于领先地位，技术成熟，涌现出多个型号，发射平台包括大型运输机、远程轰炸机、战斗机、特种载机等，呈现多平台发展趋势；投放方式覆盖下挂式、内装式等，投放能力覆盖区间不断扩大，各项能力持续提升，呈现系列化发展趋势。

2）空基发射小卫星的发射费用进一步降低，卫星的发射准备时间由天级进一步缩短到小时级。

3）私营公司不断进入空基发射卫星领域，参与热情高，未来有望成为主要力量。

3 发展空基发射小卫星技术的意义

发展空基发射卫星技术的重要意义体现在以下几个方面：

1）手段多样性。卫星进入空间的方式主要包括陆基发射、海基发射及空中发射等3种方式，对于只有陆基发射的国家，通过空基发射实现发射手段多样化的需求迫切。

2）战时生存性。固定发射场的数量少，在战争中易受到破坏，而空基发射可在数量较多的机场设施中机动选择起飞发射，战场生存能力强。发射卫星时不依赖地基和海基测控，不依托大规模地基支持。

3）军民结合性。空基发射卫星系统可实现“平战结合、寓军于民”，平时是一种低成本的卫星发射系统，战时可迅速更换载荷变成防天反卫系统。

4）时空灵活性。一是点位任意，空基发射卫星不受限于地面发射阵位，发射点不受限于天气、国土范围和地形；二是射向任意，可不考虑火箭残骸落区；三是倾角任意，可发射任意倾角的轨道且不需要进行轨道转移，目前只有空射可以做到入轨当圈工作且实现高重访；四是时间任意，由于发射点位可选择性大，因此发射时间窗口大大拓宽。

5）快速机动性。空基发射可在大范围内快速机动到任意地区发射卫星，是陆地等常规手段无法比拟的；从任务下达到卫星入轨工作，空基发射比现在最快的地面固体运载机动发射（约为24h）要快4倍以上。

6）任务隐蔽性。可选择地域偏远地区的机场起飞发射，任务隐蔽性高。

7）费用低廉性。由于载机/运载火箭系统是一个部分重复使用的系统，因此，空射运载火箭可显著降低单位有效载荷的发射费用。

可以看出，空基发射小卫星系统作为实现卫星发射方式多样化及提高战时生存性的有效手段，具有重要的战略意义，应作为一国航天工业的重要发展方向并给予支持。

4 空基发射小卫星技术的发展途径

空基发射小卫星系统包括航空平台、空射运载、卫星系统、测控系统等四大部分，应针对空基发射小卫星系统的特点协调发展，可采用“成熟技术先行、后续稳步推进”的发展策略。

航空平台

从国外发展情况来看，航空平台可优先采用现有成熟飞机平台，如轰炸机、运输机或大型客机进行改装，采用机腹下挂运载的方式发射卫星。采用这种发射方式的分离比较简单，但运载器的尺寸受到限制，运载能力有限，仅能发射轻小型的卫星，制约了卫星的功能和性能。因此，未来可继续发展大型航空平台，采用机舱内装式运载发射卫星。

空射运载

可在已有运载的基础上进行预研攻关，与航空平台协同设计，满足航空平台对质量、尺寸（受起落架高度限制）的要求，条件成熟后开展飞行演示验证，先验证关键技术，形成能力，并进行卫星的搭载发射试验。未来随着航空平台的发展，将进一步发展机舱内装式运载，发射卫星的质量和尺寸可进一步加大。

卫星系统

基于空射运载的特点，空基发射小卫星系统需要考虑以下几方面的设计问题：

1）卫星应实现低成本设计。空基发射卫星的运行轨道一般都比较低，空间辐射剂量相对较小，并且卫星以应急应用为主，因此卫星适宜采用低成本设计技术，如采用异构备份技术、“商用现货产品”（COTS）器件应用技术、软件星技术及管理流程优化技术等。

2）卫星系统需要实现轻量化、小型化。受空射运载能力的限制，卫星需要进行构型的优化，如立方体卫星、细长型构型、体装式太阳电池阵等。为了实现卫星的轻量化，需要开展结构轻量化设计工作，采用轻量化材料，星上电子设备采用综合化、一体化、集成化设计技术，打破严格的分系统划分，根据星上计算机的处理能力，整星只设计1台或2台中心计算机负责遥测遥控及星上事务管理，其余的通信设备、敏感器、执行机构等只做星上中心计算机的外围设备。

3）卫星系统需要采用力学加固或减振设计。由于空基发射的运载火箭多为固体运载，相比常规的液体运载，其存在的典型问题是过载较大，需要采用有效的减振和隔振措施，如采用金属橡胶隔振器或形状记忆合金（SMA）减振垫来达到减振和隔振效果。

星上电子信息拓扑图

4）卫星系统要适应水平对接和运输。在发射卫星时，空基发射运载火箭在绝大部分时间里都是呈水平状态，卫星系统需要实现与运载火箭的水平对接、水平运输，并在空中实现水平发射。因此，卫星结构强度要适应这种水平状态，并采用合适的星箭对接接口，如采用4点分离螺母的形式，可适应水平状态的快速对接。

5）卫星系统要解决发射时的结露问题。在发射卫星时，载机携带运载在10000m以上的高空飞行时，水平飞行的持续时间有可能超过0.5h，如果不采取热控措施，则整流罩内的温度有可能低于-30℃，会造成星上的光学系统产生结露问题。因此，需要卫星采用适当的热控措施，或通过载机、运载实现整流罩内的温度调节。

测控系统

测控系统可依托于现有的地基和天基测控系统。另外，为适应空基发射所具有的大范围快速机动特点，可发展相应的机动测控系统，如地面移动测控系统、机载测控系统等，为运载火箭和任务卫星提供发射期间的测控保障。

5 结束语

随着小卫星发射需求的日益增长，空基发射卫星技术正成为航空和航天技术结合的一个热点，在有效降低卫星发射费用及空间力量应急增强方面具有重要意义，其在军事和民用方面的应用前景是十分广阔的，必将成为未来的重点发展方向。