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“不得了”的一箭104星
日期:2017-3-2 8:53:15 来源:观察者网

  【文/ 观察者网专栏作者 石豪】

  最近,航天领域最火的新闻莫过于印度的一箭104星了——2017年2月15日,印度CartoSat 2D遥感卫星由印度“极轨卫星运载火箭”PSLV-XL发射升空。值得注意的是,同时入轨的除了印度研发的两颗10kg级纳卫星INS 1A和INS 1B外,还有101颗“立方星”,创造了单次发射卫星数量的世界纪录。

  那么笔者就来带各位小伙伴看一看,104颗星都是做什么的。

  先从大头说起——这次发射之所以引人注目,全靠搭车入轨的101颗立方星。

  在101颗立方星中,来自行星实验室公司(Planet Labs)的遥感卫星“鸽群”就占了足足88颗。行星实验室公司是一家提供中低分辨率卫星遥感数据的商业公司,在近年经过多次商业运作,成功兼并同领域的先行者BlackBridge和Terra Bella公司,进身商业遥感领域的新贵。他们公司发射的卫星,代号“鸽子”,是一种带可展开太阳能电池帆板的立方星:

  根据Planet Labs发布的数据,这种“鸽子”立方星的分辨率能达到5m左右,不过考虑到卫星实际尺寸的限制,一只“鸽子”扫过地面的幅宽着实有限,因此需要多只“鸽子”组团,再对获得的图像数据进行拼接处理。另外,由于“鸽子”没有推进装置提供速度增量,无法像一般百公斤级的遥感卫星一样进行轨道维持和组网,因此比起均匀分布的星座(Constellation)而言,“鸽群”更应该称之为星团(Cluster)。

  尽管“鸽子”的性能在如今动辄0.5m级别分辨率的遥感卫星领域并不出彩,但它有两点好——成本低,发射灵活。另外,虽然Planet Labs宣称“鸽子”的预期寿命在3年左右,但考虑到同样采取商业级元器件的立方星一般只有半年寿命,“鸽群”的频繁更新就显得尤为重要。Planet Labs公司的理念,就是一次向同一轨道发射大量“鸽子”卫星形成星团,而且要早打,多打。该公司CEO Will Marshall指出,他们更倾向于成本低10倍、成功率仅80%的发射载具,而非当前价格、成功率90%的火箭。

  从上面“鸽群”轨道图上我们可以看到,目前运行的“鸽群”主要有两种轨道:倾角较低(在图中曲线更平缓)的是从国际空间站上直接释放的;倾角较高(在图中曲线更陡峭)则是通过太阳同步轨道搭载发射的方式入轨,所采用的发射载具也是俄罗斯第聂伯火箭——即SS-18洲际弹道导弹,还有PSLV这类可靠性不佳但发射报价低的火箭。未来,Planet Labs还计划与商业发射公司Rocket Lab合作,采用该公司全新研发的电子号复合材料火箭发射“鸽群”。

  “鸽群”发射曾经历过两次失败,共损失了34只“鸽子”,而通过很低的制造和发射成本与灵活的发射安排,损失在很大程度上被冲抵,这得益于“鸽子”的设计平台——立方星。

  立方星是一种微纳卫星设计标准,以10cmX10cmX10cm为体积单位,称作1U,大量采用成熟的商业级元器件,具备最基本的结构、姿态稳定、数据传输等功能,并可以根据用户需要进行深度定制。“鸽子”的体积在10cmX10cmX34cm,属于3U立方星的一种。

  立方星的发射很简单,只需将立方星压入带有弹簧推板的释放器P-POD,并将P-POD安置在火箭上面级,就能在主卫星分离后依次将立方星弹射到与主星相同的轨道中。由于立方星普遍无法安装带有压力容器的推进装置,它的发射被认为是相当安全的。这次的101颗立方星任务选用了25个Quadpack四星释放器,每个释放器能独立释放4个3U立方星。

  除了88只“鸽子”占用了整整22个Quadpack以外,还有8颗美国创业公司Spire研发的3U气象卫星,利用GPS掩星技术对大气数据进行分析,并进行气象预报;一颗多国合作的智能结构3U验证星;一颗以色列本·古里安大学的3U试验卫星;一颗哈萨克斯坦法拉比国立大学的2U验证星和一颗阿联酋的1U立方星。

  另外值得一提的是,我国的航天创新企业湖南天仪研究院与以色列合作研发的3U的微重力试验卫星“陈家镛一号”也在搭载之列,这样101颗立方星总共300U,正好装满25个Quadpack释放器。

  说完了异彩纷呈的立方星,本次发射的主载荷就显得乏善可陈了,Cartosat-2D是印度Cartosat系列高分辨率遥感卫星系列的第六颗,全色分辨率0.6m,与他国类似产品0.5m的“标配”分辨率相比没有优势。若干年前,Cartosat-2系列0.8米的分辨率曾受国内媒体和写手大力吹捧,短短数年时间里,中国的0.5米甚至更高分辨率详查星早已在需求拉动下开花结果,而印度方面除了将Cartosat-2后继星的运行高度降低130km以获得0.6米分辨率以外,并没有更多的进步。

  至于剩下的INS 1A和INS 1B两颗卫星,都是印度研发的10kg级验证卫星,为印度纳卫星平台进行技术探索,本身没有更多亮点。

  回到一箭104星这个话题上,小伙伴们也许会好奇,印度一次发射这么多卫星,是有意要创纪录吗?其实印度人民自己也没有想要破这个纪录,因为实在没有技术含量:从101颗立方星到25个Quadpack释放器,全部都是几乎没有风险的成熟产品,不会对发射和主卫星入轨产生任何不良影响,印度只要提供火箭运力即可。

  真要说起来,这个纪录的诞生,还颇有点尴尬和阴错阳差。PSLV是印度30年来最成功最可靠的运载火箭,太阳同步轨道运载能力在1800kg左右,接近于我国的长征2号丙。不巧的是,印度设计的主载荷有时会低于甚至远低于这个数值,但除此之外,印度并没有更低运力的火箭执行类似任务,这就造成了运力浪费。2009年,印度曾经用PSLV-CA(不加助推器的PSLV)发射了两颗总重仅340kg的卫星,浪费运力800kg以上。

  因此,寻求国际合作和搭载发射也就成了必然。印度进入国际发射市场的障碍比中国小得多,自然不愁找不到下家,不过想一次性找到足够多的搭载发射载荷也基本不可能,因为“等载荷”造成主卫星发射推迟也是常有的事,这次发射也是从1月底推迟到2月初,立方星载荷不断变化,在阿联酋1U立方星最终补缺加入后,才于2月15日发射。

  不难看出,载荷来源越多,不确定性就越大,在运载能力和发射计划之间取得平衡是最关键的,这也是中国为什么要发展长征6号、长征8号和快舟系列的原因——完善运载工具梯队,突破运力上限和下限,实现运力无死角覆盖才是未来商业航天发展的基础。