中國航天到底有多厲害？馬路邊都可能發射火箭

出品| 網易新聞

作者| 李會超，中國科學院國家空間科學中心博士研究生

　　俗話說，好鋼要用在刀刃上。

　　像天宮二號、神舟系列飛船這樣的大型航天器，動不動就有8、9噸重，中國第一艘貨運飛船天舟一號更是接近13噸，要把這些龐然大物發射升空，自然要用大火箭。但是，航天器中還有一個數量更為龐大的群體，它們的重量最小的只有10公斤左右，最大的也不超過1噸，送這些「小個頭」上天，如果同樣使用大火箭的話，未免大材小用。

　　怎麼辦呢？在中國，我們有性能強悍的小火箭，最近吉林一號04、05、06星就是用運力不足一噸的小火箭發射升空的。

（一）靠「重量」取勝的運載火箭家族

　　運載火箭是將航天器從地面發射到太空中的工具，衡量其性能的核心指標就是能夠運載的最大有效載荷質量，幾個主要的航天大國都在努力發展自己的大載荷火箭，中國也不例外。

　　依據目前國際一流運載火箭的發展水平，近地軌道運載能力在50噸以上的是重型火箭，近地軌道運載能力在15至50噸左右的屬於大型火箭，運載能力在2至15噸之間的稱為中型火箭，在2噸以下的叫小型火箭。現階段世界主流的運載火箭的運力多在25噸左右，它們承擔了各國絕大部分的航天發射任務，長征五號就屬於這一類。

　　（中國長征系列運載火箭家族）

　　由於世界各航天大國目前都熱衷發展載人飛船和空間站以及深空探測器，因此對於運載火箭來說，當然是載重越大越好，火箭運力大意味著它可以搭載更大的航天器、可以裝更多的燃料從而有更大的動力。

　　然而，在中國的新一代火箭家族中，有一些火箭的運載能力比上一代火箭反倒低了不少，它們能夠向近地軌道發射的最大載荷質量都不超過一噸，這樣的運載能力，也就比這些火箭的「爺爺」、上世紀七十年代服役的長征一號稍微強一點點。

　　這些小火箭的出現，是航天部門在開倒車嗎？

（二）為什麼要發展小火箭？

　　在小型火箭出現之前，中國現役火箭最低的近地軌道運載能力為三噸。這顯然對於近些年蓬勃發展的微小衛星並不適用。

　　航天界一般把重量在500kg以下的衛星稱為微小衛星。近年來，隨著星上信息管理能力、電池性能、導航姿態控制性能等方面的提升，微小衛星的任務能力從最早的簡單演示性任務向著高複雜性、長期在軌的運營性任務邁進。微小衛星研製的成本低、周期短，能夠根據客戶的具體需求靈活的定製衛星功能，因此具有很好的商業價值，受到國內外許多商業航天企業的親睞。

　　據預測，到2023年，全世界每年發射的小衛星數量可達320顆，中國近幾年的微小衛星也呈現遍地開花的形勢：吉林一號的微小衛星未來將與眾多衛星組成實時監控全球的遙感衛星網；一些高校研發的微小衛星，讓中學生們也擁有了自己的衛星……

　　（吉林一號小衛星拍攝的美國衛星圖）

　　由於微小衛星重量小、成本低，動用運載能力動輒數噸的火箭為其發射不但浪費運載能力，而且發射費用可能會遠遠超過衛星本身的造價。因此，微小衛星以往常要和大衛星「搭便車」發射。

　　但在這種模式中，「便車」只能把微小衛星送到大衛星的軌道附近，這裡可能並不是微小衛星的最佳工作軌道。同時，衛星之間的結構協調和電磁兼容也是需要解決的問題，這就制約了搭載發射的選擇範圍。此外，傳統大中型火箭的發射準備時間較長，微小衛星即便幸運地找到了搭車對象，也要等待一段時間才能上天。

（三）小火箭的獨門秘籍

　　為了解決微小衛星的發射需求，長征六號、長征十一號和快舟一號運載火箭應運而生，它們是為微小衛星量身定做的靈活、快捷、經濟的發射工具。

1、一箭多星，發射再也不用「搭便車」

　　其中，長征六號為液體火箭，可以向700公里太陽同步軌道（SSO）發射最高780-1100kg的載荷，運行在這個軌道的衛星通常用來執行對地遙感任務，也就是我們通常說的「拍攝衛星照片」。長征十一號為固體火箭，向700公里SSO軌道的最大發射能力為350-400kg，向用途更加廣泛的近地軌道（LEO）的最大發射能力為700kg。快舟一號也是固體火箭，向700公里SSO軌道的最大發射能力為200kg，向LEO軌道的發射能力為300kg。從以上這些數據我們可以看出，三種火箭為1噸以下的發射需求提供了不同運載能力範圍的選擇。

　　同時，這三種火箭都具有一箭多星的發射能力，可以一次將多顆重量體積較小的微小衛星發射升空，便於它們組網運行，將每顆星的發射成本降到最低。據新華網消息，長征六號曾創造出一箭20星的發射紀錄。

　　（長征六號發射升空）

2、從2-3個月縮短到一周，把發射準備時間縮短到極限

　　如果說「小」是小型火箭的天生優勢，那麼「快」則是這三種小型火箭的獨門絕技了。

　　傳統的大中型火箭，在運抵發射場後要進行複雜的總裝、測試操作。無論是長二、長三在發射架上總裝測試的模式，還是長二F、長五、長七在廠房中總裝測試後再轉運到發射架的模式，耗費的時間都比較長。對於研發周期較長的大型的航天器來說，較長的準備時間不是問題。但對於靈活的微小衛星來說，在商業運作中可能需要根據客戶需求，隨時拿出貨架產品進行發射。

　　為了實現「快」的發射要求，長征六號採用了「水平總裝、水平測試、水平轉運」的」三平「發射模式。火箭在「躺倒」的姿態下完成各子級間及火箭與衛星的連接，不需要複雜的高空起吊操作。整發火箭安裝在為長征六號專門研發的自行式整體運輸起豎車上進行。

　　這種車集火箭運輸、起豎、發射臍帶塔功能於一體，火箭總裝完畢後直接由該車運抵發射陣地，完成起豎、加註燃料到發射的所有流程，省去了大型火箭與發射塔連接的準備時間。發射車還可以實現自動導航無人駕駛和精確定位，三向定位精度誤差不超過5毫米。同時，由於不需要固定的發射塔，在少量測控通信車輛的輔助下，發射車可以靈活地選擇發射地點，避免發射地附近人口密集對發射方向的限制。在這些新模式、新技術的應用下，長征六號的發射準備時間由傳統火箭的2-3個月縮短到一周左右。

　　（在發射車上進行轉運的長征六號）

　　長征六號已經把液體火箭的準備時間縮短到極限，而使用固體燃料的長征十一號和快舟一號，則可以說是發射速度的登峰造極之作了。這兩種火箭同樣使用」三平「發射模式，從接到發射指令到火箭騰空而起，中間間隔的時間可以縮短到24小時以下。固體推進劑具有長期貯存能力，因此固體火箭在發射時無需像液體火箭那樣現場加註燃料，發射更快捷。這也是目前戰略彈道導彈多採用固體發動機的原因。在突發地震等大規模自然災害或軍事衝突爆發時，固體火箭的快速反應能力可以及時大量發射軌道覆蓋熱點地區的微小衛星，實現衛星快速組網和補網，使決策者和有關部門獲得一雙雙「天眼」。

　　（長征十一火箭發射效果圖）

3、配備天基測控能力，飛行路徑和發射地點不再受限

　　在神舟飛船的發射過程中，隨著火箭向東飛行，直播中會出現「渭南跟蹤正常「、」太原跟蹤正常「等報告，這是遍布中國國土各地的測控站在實時跟蹤火箭飛行，實施必要的測控操作。這些地面測控站的分布限制了火箭飛行路徑和發射地點的選擇。

　　為了讓微小衛星的發射更加靈活，這三種小型火箭還配備了天基測控能力。火箭起飛後，以往由地面測控站完成的任務將由高懸於地球同步軌道的「天鏈」中繼衛星完成。火箭通過天基測控天線將數據傳導天鏈衛星上，再由天鏈衛星轉發回地面。得益於四顆在軌運行的天鏈中繼衛星，中國是除美國外唯一一個擁有具備全球覆蓋能力的天基信息傳輸系統的國家。火箭從中國國土的任意一點起飛、朝著任意方向飛行時，都能夠處在天基測控網的有效覆蓋中。

　　（快舟一號火箭發射升空）

4、發射成本極低，提供上天「白菜價」

　　和執行各種國家航天任務的大中型火箭不同，小型火箭所要面對是競爭激烈的微小衛星商業發射市場，如果不能提供有吸引力的發射價格，即便火箭性能優越，也很難在商業發射市場中佔據一席之地。因此，中小型運載火箭在研製和生產過程中，都十分注重成本的控制。目前，在國際商業發射中，小型運載發射報價一般為每千克2-5萬美元。而長征十一、快舟一號運載火箭目前的發射報價都在每千克3萬美元以下，與國際主流水平相當。近幾年內，這兩種火箭的發射報價將降低到每千克1萬美元以下。而快舟一號的升級版——快舟十一號，甚至能給出每公斤幾千美元的上天」白菜價「。

　　為了降低成本，設計人員們首先在火箭本身的設計上下功夫，簡化系統、優化元器件，榨乾火箭的每一處設計餘量。長征十一號兩次成功發射後，設計人員根據實測數據，在保證火箭發射成功率不受影響的前提下取消了一些部件，使火箭的運載能力提高了50公斤。為了讓火箭本身的結構更輕，將發動機提供的推力更多的用來推動有效載荷，快舟一號團隊應用新技術和材料，將安全機構的尺寸和重量縮小到了現有產品的五分之一，火箭整體起飛質量降低約20噸。

結語

　　未來，長征六號、長征十一號、快舟一號等小型運載火箭，將與長五、長七等大中型運載火箭，構成中國運載火箭發射服務的完整「產品線」，為商業航天產業的壯大和航天服務社會生活，作出自己不可替代的貢獻。

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編輯| 史文慧