SpaceX 公司“一箭143 星”任务分析

李侃（北京空间科技信息研究所）

美国东部时间2021 年1 月24 日10:00，美国太空探索技术公司（SpaceX）利用猎鹰－9（Falcon－9）运载火箭从卡纳维拉尔角航天发射场发射升空，以“一箭143 星”的方式，实施了代号为运输者－1（Transporter－1）的小卫星拼单发射任务，将10 颗“星链”（Starlink）卫星和133 颗微小卫星送入轨道高度560km、倾角97.6°的极轨道，打破了印度利用极轨卫星运载火箭－XL（PSLV－XL）在2017 年2 月创造的“一箭104 星”单箭多星世界记录。

1 任务基本情况

本次任务是SpaceX 公司“小卫星拼单计划”下的首次专享拼单发射任务。该公司于2019 年8 月宣布要开展小卫星拼单发射业务，打算每年都要开展3 次专享太阳同步轨道拼单发射，还要在猎鹰－9 发射“星链”卫星和开展太阳同步轨道或其他极轨道发射任务时提供更多的拼单服务。收费标准为200kg（含以下）价格为100 万美元，超过200kg 的5000 美元/千克。

这是SpaceX 公司首次把“星链”卫星部署到极轨道。自2019 年5 月组网发射启动以来，SpaceX 公司已通过18 次专项组网发射任务将1073 颗“星链”卫星送入轨道。加上2018 年初发射的2 颗“丁丁”原型卫星，此前已发射“星链”卫星总数为1085 颗。截至2021 年1 月20 日专项组网发射时，有64 颗已离轨再入。

除“星链”卫星外，本次发射箭上携带的其他133 个有效载荷涉及遥感、物联网通信和技术验证等各种用途，其中立方体卫星占了绝大多数。

本次发射作为一次太阳同步轨道任务，自然少不了遥感卫星的身影。箭上载有日本QPS 研究所（iQPS）、美国卡佩拉空间公司（Capella Space）和芬兰冰眼公司（ICEYE）的合成孔径雷达（SAR）卫星，还载有加拿大温室气体卫星公司（GHGSat）的温室气体卫星－C2[GHGSat－C2，又名“雨果”（Hugo）]。单从卫星数量上说，本次任务的最大客户是美国行星公司（Planet），共有48 颗鸽群－4s（Flock－4s）遥感立方体卫星。箭上还载有美国斯派尔公司（Spire）的8 颗狐猴－2（Lemur－2）遥感立方体卫星。

箭上还载有美国蜂群技术公司（Swarm Technologies） 的36 颗0.25U（ 尺 寸 为2.5cm×10cm×10cm）“太空蜜蜂”（SpaceBee）物联网服务卫星。加拿大创企开普勒通信公司（Kepler Communications） 和瑞士创企宇宙播报公司（Astrocast）也各有8 颗和5 颗物联网组网卫星随同上天。

箭上携带的另一个有效载荷是美国空间飞行公司（Spaceflight）的夏尔巴－FX（Sherpa－FX）机动部署器卫星，与火箭分离后，将在轨释放13 颗微小卫星。此外，意大利D-轨道公司（D-Orbit）也有一个类似卫星部署器在本次发射任务中上天，携带有20 颗微小卫星。上述两个部署器本身也被列为本次发射的有效载荷，原因在于它们还另外载有其他一些不分离的有效载荷，因此具备卫星部署以外的功能。

2 卫星适配器概况

本次任务有别于SpaceX 公司以往的“星链”专箭发射任务，仅在轨部署10 颗“星链”卫星，将整流罩内大部分空间留给其他133 颗微小卫星。运输者－1 任务全部143 颗卫星有效载荷在整流罩内分布包括4 层结构：上方3 层“渐进型一次性运载火箭次级有效载荷适配器”（ESPA）环结构以及下方1 层“星链”卫星专用适配器结构。本次除“星链”外的133颗微小卫星全部固定安装在上方3 层ESPA 环结构上，共分11 批次在轨部署。

本次运输者－1 任务并非SpaceX 公司开展的首次运载共享任务，早在2018 年12 月开始，SpaceX公司就开始在“星链”发射任务中搭载少量微小卫星载荷。经过约1 年试验尝试，该公司于2019 年12 月对外发布《有效载荷运载共享用户指南》，就卫星搭载要求、机械和电气接口标准、流程规范进行说明，其实现单箭大量卫星搭载的核心是ESPA 技术。

20 世纪90 年代末，美国国防部为更高效利用运载火箭的冗余承载能力，提出在宇宙神－5（Atlas－5）和德尔他－4（Delta－4）军用火箭任务中加装次级有效载荷适配器的概念，具体由空军研究实验室空间飞行器部（AFRL/RV）的“空间试验计划”（STP）实施。经过20 余年发展，ESPA 技术与标准已日趋成熟，并开始在商业公司非军用火箭上得到应用。

运输者－ 1 使用了1 层15 英寸（约38.1cm）机械接口版和2 层24 英寸（约61cm）机械接口版的ESPA 环结构，但实际发射最小卫星仅为2.5cm×10cm×10cm，远小于最小尺寸限制要求，实际多星任务实施采取了以下两种模式。

（1）直装模式

该模式适用于卫星尺寸符合15 英寸或24 英寸机械接口条件。如本次任务发射的日本QPS 公司的QBS-合成孔径雷达－2（QBS-SAR－2）卫星安装在第2 层24 英寸ESPA 环的1 个独立机械接口上，火箭发射后由适配器单独弹出，一步完成在轨释放。

（2）拼单模式

该模式适用于卫星尺寸不符合（小于）机械接口条件，是本次发射任务中大部分卫星采用的模式，这些卫星多为立方体卫星，采用立方体卫星部署器，如本次任务芬兰的“冰眼”（ICEYE）卫星通过卫星部署器双星同时释放部署，或机动部署器卫星二次部署，如本次任务安装在第2 层24 英寸ESPA 环上的夏尔巴－FX 机动部署器卫星，携带有化学推进器和13颗微小卫星，从猎鹰－9 火箭ESPA 接口分离后，再通过自身轨道机动完成对搭载微小卫星的释放。

本次143 颗卫星大部分为立方体卫星，主要采取了“拼单模式”安装与部署，即多颗卫星共用1 个ESPA 环机械接口，在轨成批完成部署。

SpaceX 公司运输者－ 1 任务有效载荷分布示意图（来源：SpaceX）

3 几点分析

SpaceX 公司将促进全球商业航天市场良性发展

本次“一箭143 星”发射任务成功实施有效填补了SpaceX 公司在商业航天版图中的短板—微小卫星发射领域，标志着SpaceX 公司建立起由大中小型卫星商业发射服务、商业货物运输服务、商业乘员运输（载人航天）服务、低轨宽带通信服务等构成的全业务范畴，涵盖卫星制造、发射与运管、应用全产业链条。“卫星拼单”概念从提出至今已有数十年时间，特别对微小卫星领域发展起到了促进作用，全球进入太空门槛逐渐降低。表面上看，SpaceX 公司此举将对新兴商业运载公司，特别是小型运载火箭公司造成严重冲击，其发射报价远低于业内其他公司，同时得益于“猎鹰”系列回收使用和高可靠性，必将使其快速占有微小卫星发射领域市场。但从长远上看，低成本、高可靠的服务模式将使全球航天用户直接受益，并在某些领域充分发挥“鲶鱼效应”，打破原有的技术、产业垄断发展模式，促进商业航天，乃至全球航天发展良性循环，刺激新概念、新技术研发与进步。

火箭运载共享发射目前仍存在较多限制

按照SpaceX 公司规划，平均每4 个月提供一次运载共享发射机会，但仅能将合作卫星载荷送至主载荷目标的“既定轨道”。以本次运输者－1 任务为例，此次10 颗“星链”卫星是任务的主载荷，目标轨道确定为高560km、倾角为97.6°的极轨道，其他133 颗卫星无一例外，全部都将运行在相同的极轨道。用户在选定运载共享服务的同时也必须接受“隐藏条款”，一旦任务设计轨道、外形尺寸超出服务限制，都无法适用于价格低廉的运载共享发射服务。虽然SpaceX 公司掌握有多轨道分批部署技术，但至今仅在2019 年“猎鹰重型”（Falcon Heavy）运载火箭发射任务中进行过试验，其燃料大量消耗带来的成本增加问题，短期内无法得到有效解决。

卫星批量搭载和隐蔽部署技术商业化基本成熟

此次SpaceX 公司“一箭143 星”任务成功实施，对外充分展示出了美国卫星商业批量搭载应用趋于成熟。实际上，美国已发展出多种商业化卫星搭载系统，业务范围涵盖低地球轨道（LEO）、中地球轨道（MEO）、地球静止轨道（GEO）等多种轨道类型，能独立开展业务或组合应用（如本次任务“夏尔巴”卫星通过猎鹰－9 火箭发射，在轨释放分离后，再独立部署13 颗微小卫星）。这些商业服务多数以成熟军用技术为基础，能确保系统稳定性、使用可靠性，同时国会立法者支持国防部采用商业技术研发军用系统，一旦未来军商建立合作机制，美军将具备低成本、高可靠、快速批量微小卫星部署能力，对其他国家在轨资产构成威胁。特别地，利用上述手段在高轨部署微小卫星兼具隐蔽性特点，也对其他国家的太空域感知能力发展提出更高要求，需持续关注。