小卫星快速发射，八仙过海 各显神通

+ 张雪松

小卫星快速发射，八仙过海 各显神通

+ 张雪松

编者按：

回顾近来与火箭发射有关的热点新闻，其中三条吸引了我们的注意：XS1项目花落波音、新西兰“电子号”小火箭首次发射、世界最大飞机正式亮相。这三者之间的内在联系不难发现：新闻中的主体，都是一种新兴的航天器发射方式，而它们的目的，都是为了实现低成本、快速地将小卫星（这里指重量为一吨左右及以下的卫星）送入太空。

随着微小卫星的爆炸性发展，小卫星发射工具也日益热门，其中既有一次性的小型运载火箭，也有重复使用的运载工具。世界各国多家公司和机构研发的针对小卫星快速发射的手段可以说是八仙过海各显神通，经过深入盘点后我们发现，这些手段各有优劣，想必将在未来的发射市场上展开白热化的竞争。

太空飞机

2017年5月24日美国先进研究项目局（DARPA）发布消息，XS-1太空飞机项目第二阶段选中波音公司作为唯一的承包商继续进行研制，波音将其称为“幻影快车”。

“幻影快车”力图通过重复使用来实现航天发射的廉价化，原型机将在2020年亮相。按照DARPA对XS-1项目的要求，“幻影快车”太空飞机加上一个一次性的上面级，将具备把3000磅（1360千克）的载荷送入近地轨道的能力，每年发射10次以上的频率下单次发射费用只有不超过500万美元，相当于“米诺陶”火箭发射价格的1/10。DARPA还要求“幻影快车”具备10天进行10次高超音速飞行的能力，虽然没有要求携带上面级，但理论上有翼的第一级有这样的重复出动能力，一次性上面级更不是障碍。简而言之，“幻影快车”将具备廉价的快速发射能力，如果波音公司研制成功的话，它在未来市场上将产生颠覆性的影响，把所有的一次性小火箭挤出市场。

“幻影快车”太空飞机的纸面性价比很高，但它的未来却存在着潜在风险——它是一个公私合营的项目，DARPA只给1.43亿美元拨款，剩下的部分都要靠波音出钱，这意味着一旦出现技术障碍或是进度拖延，“幻影快车”的研制出现超支就会下马。临渊慕鱼不如退而结网，火箭实验室的“电子号”火箭虽然是一次性运载火箭，但却是已经试射的火箭，它将是未来最有前途的小型运载火箭之一。

小火箭

今年5月25日，“电子号”火箭从新西兰北岛的马希亚航天发射场发射升空，虽然由于火箭姿控的一些问题最终没有将载荷送入预定轨道，但这对于一家商业航天公司研制的使用诸多新技术的运载火箭，这已经是相当了不起的成功。“电子号”火箭使用大量新技术，比如3D打印制造、碳纤维复合材料的液氧和煤油储箱，和电动机带动的涡轮泵，这些革命性的新技术由一家小型商业航天公司引入液体运载火箭工业，实在令老牌厂商汗颜。但“电子号”火箭更令人拍案叫绝的是它的成本和发射频率——“电子号”火箭具备将220千克载荷送入近地轨道的能力，而发射费用只需要490万美元，它为了实现高密度发射还专门跑到新西兰新建了发射场，甚至打算未来做到一周一发。

或许有人会问，“电子号”火箭的单位发射成本比大型火箭还贵，真的有信心拉到那么多订单么？这就要说小型火箭的独特优势了。小卫星发展过程中，早期一般是作为大中型火箭发射的次级载荷顺路上天的，但这也带来很多问题。首先就是发射响应时间的问题，某些微小卫星可能需要应急快速发射，而大型火箭的发射基本不会考虑次级载荷的发射时间要求；其次，很多微小卫星会运行在比较特殊的轨道上，和传统的太阳同步轨道或是空间站轨道有不小的区别，这也带来了独立发射的需求，蓬勃兴起的小火箭瞄准的就是这些市场。以电子号火箭为例，美国“月球快车（Moon Express）”就将使用“电子号”火箭发射他们的月球探测器，如果要等美国或是其他国家的大型火箭发射月球探测器时顺路搭车搭载，“月球快车”的发射就不知道要等到猴年马月了。

现有的小型运载火箭中，“电子号”火箭的报价是很有竞争力的，甚至可以说是最具竞争力的运载火箭。那么除了火箭本身使用新技术挖潜，还有没有别的道路呢？空射火箭就是另一条不错的路线。例如维珍银河公司的“发射者一号（LauncherOne）”火箭将使用波音747载机空中发射，廉价实现更为灵活的航天发射。

空射火箭

空中发射当然不是异想天开，而是有着货真价实的优势。

第一，空射火箭具有更好的发射灵活性。5月底，“电子号”火箭的首次发射曾接二连三地发生推迟，主要原因就是发射场高空气象不佳。而如果火箭在万米高空发射，加上载机的大范围机动，就可以规避绝大部分气象问题，从而减少推迟发射发生的几率。此外，“电子号”火箭之所以选择在地广人稀的新西兰发射，一个主要考虑是为了远离繁忙的航班，便于空管部门的空域协调，以实现更高频率的发射。而空射火箭就没有这种烦恼，载机可以携带火箭飞到更合适的区域，规避火箭发射对航空活动的干扰。空射火箭具有更好的发射灵活性，这对某些时效性较强的发射是十分合适的，也有利于把维护基地放在工作生活更便利的繁华地区。

第二，空中发射还有一个巨大的优势，就是高空发射减少了火箭起飞、加速、爬升到高空的燃料消耗。虽然载机在万米高空以亚音速发射火箭，载机速度和火箭入轨速度相差甚远，但根据火箭方程细算，我们会发现普通运载火箭从地面发射到飞抵万米高空所消耗的燃料，无论按绝对数量还是相对比例都相当不少，空射火箭实际上相当于增加了一个复用的第一级，只不过波音747这样的喷气飞机比“幻影快车”这样火箭飞机速度和高度都差得远，所以效果不太突出而已。

“发射者一号”使用波音747空中发射，它是一种二级空射运载火箭，使用新的“牛顿”发动机，设计指标是以不高于1000万美元的成本，将230千克的载荷送入太阳同步轨道。综合算下来，“发射者一号”的单位发射成本只比“电子号”火箭略高，同样具有很强的商业竞争力。不过它主要用于发射太阳同步轨道卫星，与用于发射近地轨道载荷的“电子号火箭”并没有短兵相接的机会。

“Stratolaunch”搭载三枚火箭效果图

空射火箭具有方便快捷和廉价发射的诸多优势，不仅小型火箭、就连中型火箭也来凑热闹。近日，一则新闻轰动了整个科技圈——同温层发射系统公司（Stratolaunch Systems）的空中发射载机”Stratolaunch”，绰号“大鹏”的史上最大飞机于5月31日，在加利福尼亚州的莫哈维基地正式下线。

作为空射火箭，同温层发射系统的确能够更准确、快速地把卫星送入轨道，然而其“能够降低成本”的说法似乎只对传统的火箭地面发射方式有效。因为与本文前述发射方式相比，同温层发射系统并不便宜——“飞马座XL”火箭的价格一直比较贵，作为“米诺陶”火箭的空射变种，其过去使用L-1011客机空中发射时单价居然高达5600万美元。如上文所述，“米诺陶”火箭的高价正是催生XS-1“幻影快车”的重要原因，未来，除非“飞马座XL”火箭能够大幅降价、或者“大鹏”更换火箭搭档，否则同温层发射系统的大飞机做得再好，也没法和地面发射的“电子号”小火箭或是空射的“发射者一号”火箭竞争，更不要说为满世界找火箭的小卫星运营者们带来“白菜价”、准确又快速的发射服务了。