轉眼間，2023年已臨(lin) 近尾聲，但中國航天依舊緊鑼密鼓保持著高密度發射，不斷突破，一次次交出亮眼成績單。26日，我國在西昌衛星發射中心用長征三號乙運載火箭與(yu) 遠征一號上麵級，成功發射第五十七顆、五十八顆北鬥導航衛星。但一箭雙星隻是“小場麵”，早在今年6月，我國在太原衛星發射中心使用長征二號丁運載火箭成功發射吉林一號高分06A星等41顆衛星，刷新了我國一次發射衛星數量最多的紀錄，更是意義(yi) 非凡。

圖片來源：新華社（鄭斌攝）

一箭多星，指的是一枚運載火箭同時或先後將多枚衛星送入預定軌道的技術。衛星在火箭上如何“排排坐”，到站後怎樣能做到有序“下車”？我們(men) 今天就來聊聊“拚火箭”上天背後的故事。

01

高端的“食材”，往往采用樸素而優(you) 越的“烹飪方式”

與(yu) 傳(chuan) 統的單星發射相比，“一箭多星”能夠更充分地利用火箭運載能力、提高發射效率。看似是各大航天企業(ye) 的“高端操作”，實則是應對競爭(zheng) 越來越激烈的商業(ye) 航天發射市場，節省運載火箭發射費用、降低發射成本采取的常規選擇。

最早實現一箭多星的國家是美國。美國在1960年首次用一枚火箭發射了兩(liang) 顆衛星，在1961年又實現了一箭三星。接著，蘇聯多次用一枚火箭發射8顆衛星。隨後，歐洲航天局也掌握了這種發射技術。中國在1981年9月成功地用一枚“風暴一號”運載火箭將一組三顆“實踐二號”衛星送入地球軌道，成為(wei) 第四個(ge) 獨立掌握一箭多星發射技術的國家。印度和日本則分別於(yu) 2008年和2009年實現了一箭多星發射。

這些早期的一箭多星發射任務，基本上都是服務於(yu) 政府的專(zhuan) 用載荷，其基本的特點就是在研製之初，衛星載荷就與(yu) 運載火箭方麵進行了詳細的溝通協調，雙方為(wei) 了任務的圓滿成功都進行了相應的適應性設計，包括額外的支架、承力結構等，但這些結構一般都不是通用性的，這次任務完成之後就沒有用武之地了。

隨著通信衛星星座的興(xing) 起，航天領域又有了多次重複進行同樣的一箭多星發射的需求，比如銥星、全球星等。由於(yu) 批量大，運載火箭為(wei) 了服務好這些大客戶，一般會(hui) 為(wei) 它們(men) 定製專(zhuan) 門的衛星支架甚至是上麵級。比如我國的長征二號丙運載火箭當年為(wei) 了發射銥星，就研製增加了上麵級並聯雙星智能分配器。

再後來出現了微小衛星，這些衛星重量輕、體(ti) 積小、投資少，大多用於(yu) 技術研究，更希望能以低廉的價(jia) 格進入太空，因此運載火箭常常在主載荷的衛星支架或火箭末級上留一個(ge) 附加的位置，將其“捎”到太空。這種方式被稱為(wei) “搭載”。搭載衛星在研製進度、發射軌道、環境要求上完全服從(cong) 於(yu) 主載荷，沒有一點話語權。可以說為(wei) 了進入太空，活成了“卑微的小透明”。

近年來隨著小衛星市場的蓬勃發展，帶來了小衛星發射需求的快速上升，小衛星發射數量占到了每年衛星發射總數的絕大部分。據歐洲谘詢公司在2021年所作的預測，2021～2030 年全球預計將累計發射13912顆微小衛星，平均每顆衛星發射質量僅(jin) 180千克。在這種形勢下，火箭拚單開始大行其道，一箭多星的規模也越來越大。印度於(yu) 2017年實現了一箭104星發射，美國SpaceX公司又於(yu) 2021年創造了一箭143星的紀錄。

大量小衛星拚單所帶來的發射組織困難，催生出了多個(ge) 專(zhuan) 門搞“拚單”的中介公司。他們(men) 需要開展大量客戶協調工作，解決(jue) 部分客戶拖期變動對整體(ti) 進度的影響。其中著名的有德國柏林的Exolaunch、意大利的D-Orbit 和美國西雅圖的Spaceflight等發射經紀公司。

當地時間12月23日，SpaceX成功發射並回收了23顆V2mini Starlink衛星（G-32），這是他們(men) 首次使用複用的火箭，打破了此前的紀錄。

圖片來源：SpaceX公司官方賬號

為(wei) 了搶奪小衛星市場，SpaceX公司還祭出了“航班化”的絕招，即像高鐵一樣，不管是否湊齊所有買(mai) 票的客戶，都準點發車，提高發射的確定性。另外增加發射頻次，誤點的客戶也不用慌亂(luan) ，加點錢還可以趕下一班。這樣SpaceX公司就成為(wei) 絕大多數小衛星客戶的首選，奠定了自己的優(you) 勢地位。大量的客戶也使得航班化有了切實的保證，反過來進一步強化這一優(you) 勢地位。試想，你是會(hui) 選擇準點的班車，還是非要等客滿才出發的“黑車”？

02

衛星排排坐，不僅(jin) 要坐得下，還要“坐得舒服”

實現一箭多星，衛星數量多少不是關(guan) 鍵，如何讓所有的衛星“乘客”都有一個(ge) 舒適的座位，不至於(yu) 在發射過程中發生磕碰、擠壓，能夠安全地抵達太空，才更凸顯技術含量。

一次性要將那麽(me) 多顆衛星安全順利地送入軌道，首先要解決(jue) 的是衛星在整流罩內(nei) 的布局問題，不僅(jin) 要保證“坐得下”，還要“坐得舒服”。為(wei) 此，需要根據衛星結構、任務需求，優(you) 化“座位”布局，

為(wei) 了能夠給衛星以堅實的支撐，將火箭推力結結實實地傳(chuan) 給衛星，一般火箭會(hui) 安裝一個(ge) 圓錐形的衛星支架，下麵直徑較大的一端連接到火箭末級的圓柱外殼上，上麵直徑較小的一端連接衛星的星箭對接框。

單獨享受火箭發射任務時，衛星可以獨占火箭的衛星支架、包帶等解鎖分離裝置。然而對於(yu) 一箭多星來說，“僧多粥少”，一個(ge) 對接框遠遠不夠。這些衛星的體(ti) 積、重量大小不一，形狀各有不同，需要對火箭整流罩內(nei) 的空間進行有效約束、分配和利用，才能讓衛星順利搭載和分離。

這就需要通過轉換裝置，轉換出多個(ge) 不同的衛星接口，供所有的衛星進行對接安裝。這個(ge) 裝置一般被稱為(wei) “多星分配器”。分配器有多種形式，如果發射類型相似的衛星，可采用中心承力筒式分配器或盤式分配器，也可以采用錐型分配器，便於(yu) 衛星向外釋放。

在多星分配器上，衛星根據各自特性的不同，有的是端坐在頂上，有的是側(ce) 掛在壁上，還有的包裝在釋放裝置內(nei) ，保證大家各得其所，都能夠經受住火箭發射時的飛行環境，安全地進入到太空。

03

迎來分離時刻：“解開安全帶，安全下車！”

火箭將衛星安全送入太空之後，還需要完成最後一道關(guan) 鍵工序，那就是將衛星“扶下來”，送它飛向自己的應許之地。這就需要掌握穩定可靠的“星箭分離”技術，衛星從(cong) 多星分配器上分離出來，不能相互碰撞，還需選擇最佳的飛行路線和確定最佳分離時刻，使這麽(me) 多衛星在各自的軌道上運行。另外，還必須考慮火箭在逐步分離衛星的時候，火箭結構和重心發生變化所帶來的影響，避免火箭自身姿態失控與(yu) 衛星發生碰撞。

衛星數量越多，衛星從(cong) 火箭分離出去後在軌道飛行碰撞的風險就越大。為(wei) 了避免出現擁擠碰撞，一般將多星分配器上的衛星按層分組，衛星按組進行依次分離。每組衛星分離之後，火箭通過開啟反推火箭拉開自身與(yu) 剛剛釋放出去的衛星之間的距離，然後開啟下一組衛星的分離，直到最後。通過這種方法，保障了彼此之間分離的安全性。

長征二號丁運載火箭飛行840秒左右，41顆衛星開始陸續與(yu) 火箭分離。

圖片來源：央視新聞截屏

一箭多星分離方式的選擇對於(yu) 衛星的分離準確率和安全影響很大，需要考慮到不同衛星分離的順序、時間、角度和速度等諸多因素。同時，由於(yu) 分離過程中會(hui) 受到姿態穩定、地球引力和空氣阻力等多重因素的幹擾，需要對分離過程實現進行大量的仿真計算，在實際過程中精確控製各種動作，以保證衛星分離後的空間位置和軌道參數的精確和安全。

隨著世界各國衛星技術不斷發展，激活“衛星快遞”的商業(ye) 新活力，未來更多人類進入太空的圖景也正在被描畫勾勒。

本文作者：於(yu) 遠航 北京宇航係統工程研究所 高級工程師

出品：科普中國

監製：中國科學技術出版社有限公司、中科數創（北京）數字傳(chuan) 媒有限公司

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