SpaceX一箭143星破人類航天紀錄 「太空拼車」技術大起底

就在昨夜,SpaceX 又一次創造了歷史!北京時間 2021 年 1 月 24 日 23 時,美國佛羅里達卡納維拉爾角發射基地,SpaceX 的獵鷹 9 號火箭攜 143 顆衛星順利發射升空。

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約 9 分 45 秒後,獵鷹 9 號第一級落在 Of Course I Still Love You 回收船上,這是 SpaceX 第 73 次回收一級助推器。

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此次任務的主要亮點包括:

  • 火箭方面:提供動力的火箭為 B1058,於 2020 年 5 月首次投入使用(運送 Demo-2 龍飛船上的兩位 NASA 宇航員 Bob Behnken 和 Doug Hurley 前往國際空間站),此次已是其第 5 次執行任務了。

  • 飛行距離方面:SpaceX 以往回收獵鷹 9 號一級火箭用時在 8 分鍾左右,此次回收時間長了 1 分多鍾,說明飛行距離更長。

  • 星鏈發射方式的創新:10 顆星鏈衛星是以固定在平板上的形式發射升空,將被發射至極地軌道,為阿拉斯加等極地地區的用戶提供互聯網覆蓋。

  • SpaceX 首次專門「拼單」發射衛星。

  • 一箭 143 星創下了單枚火箭運輸衛星數量的新紀錄。

本文將在介紹該任務的基礎上,揭秘「太空共享出行」和「一箭多星發射」。

一箭 143 星破紀錄「拼單」

據了解,這項發射任務名為 Transporter-1(運輸者 1 號),是 SpaceX 首個專門的「拼單」任務。

對此,美國太空網 Space.com 在報道中有這樣一句表述:

這次飛行讓 SpaceX 在一場精心編排的「軌道芭蕾舞」中大秀「太空共享出行」的肌肉。(The flight allowed SpaceX to flex its ridesharing muscles in a carefully choreographed orbital ballet.)

此次,SpaceX 的客戶數量超過 40 余家,總共搭載 143 個航天器(142 顆衛星和 1 個軌道轉移飛行器),主要包括:

  • 10 顆星鏈衛星

  • 36 顆 SuperDove 衛星

  • 17 顆 Kepler 衛星

  • 3 顆 NASA 衛星(為測試航天器通信和導航新技術)

  • 9 顆 Eyries-1 衛星

  • 2 顆 EXOport-1 衛星

  • 28 顆 EXOport-2 衛星

  • 1 顆 Capella-3 衛星

  • 1 顆 Capella-4 衛星

  • 20 顆 D-Orbit’s Pulse 衛星

  • 1 顆 SAR 衛星

  • 1 顆 iQPS-2 衛星

  • 軌道轉移器 Sherpa-FX 及其搭載的 13 顆衛星

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值得關注的是,Transporter-1 的發射載荷量占目前在軌衛星總數(約 2860 顆)的 5%,143 這個數字在人類太空發射歷史上已是最高紀錄了。

太空共享出行,背後打什麼算盤?

看起來太空共享出行的時代已經來了,但實際上,即便對於 SpaceX 來說,衛星太空共享出行已經不是什麼新鮮事了。

眾所周知,SpaceX 已經為多家公司、機構向太空發射過有效載荷,其中在 2018 年 12 月的 SSO-A 任務中,SpaceX 火箭從加州的發射台出發,將 64 顆衛星送入了近地軌道,當時其實已經就有衛星太空共享出行內味兒了。

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從那以後,SpaceX 也在幾次星鏈任務中,嘗試在火箭上加入其他的有效載荷(如 Planet 和 BlackSky 的小型立方體衛星),和自家的衛星共享火箭的空間。

那麼問題來了,SpaceX 的「拼單」計劃目的何在?

自然是為了降低成本。

2019 年,SpaceX 就曾宣布,獵鷹 9 號將在全年的特定時間內以拼車的形式發射衛星,歡迎各需求方通過專門的網站進行預訂。

據了解,其拼團發射的費用為:200 千克有效載荷送至 SSO 太陽同步軌道,最低價為 100 萬美元;增加的質量部分每公斤收取 5000 美元。

如果同時有很多客戶一起參與拼單,願意同時發射火箭上太空,那麼成本就會低得多。

實際上,隨着發射成本的降低,以及像美國私人火箭公司火箭實驗室(Rocket Lab)和維珍軌道(Virgin Orbit)等公司的小型發射裝置的出現,火箭的剩餘運載能力得到充分利用,小型衛星要上太空也比以往更有利了。

然而,同時發射多顆衛星並非易事——每一顆衛星都必須按時間順序部署,避免可能存在的碰撞。為此,SpaceX 團隊使用了專門的發射器和可自由飛行的轉移設備,一旦它們進入特定軌道,就會開始部署有效載荷,比如此次為地球觀測公司 Planet 准備的 48 顆微型衛星在發射後不到 59 分鍾就開始部署了。

Elon Musk 的商業頭腦和團隊越來越成熟的太空發射技術,使得 SpaceX 的首次正式大規模拼團發射像預期的那般順利——2021 年,Transporter-2 和 Transporter-3 的任務也將進行。

一箭多星,載荷數量意味着什麼?

由上述可知,Transporter-1 任務最大的亮點莫過於一箭多星發射刷新全球之最。

顧名思義,一箭多星是一種用一枚運載火箭同時或者先後將多顆衛星送入軌道的技術,主要分兩種:一是把衛星一次性送入相同或相近軌道,二是分次分批釋放衛星至不同軌道。

早在 1960 年,美國實現了一箭兩星,成為首個掌握這項技術的國家。

隨後於 1961 年,美國和前蘇聯分別實現了一箭三星、一箭八星。

直至 1981 年,我國也終於實現了一箭三星發射,由此成為第四個獨立掌握這一技術的國家(在中國之前歐洲航天局率先掌握)。

在這一技術不再新鮮之後,各國在有效載荷數量上不斷刷新紀錄:

  • 2014 年 6 月,俄羅斯第聶伯火箭一次發射了 37 顆衛星。

  • 2015 年 9 月,中國長征六號火箭實現了一箭 20 星,打破了當時的亞洲航天紀錄。

  • 2016 年 6 月,印度也實現了一箭 20 星。

  • 2017 年 2 月,印度創下了一箭 104 星的世界紀錄。

  • 2018 年 12 月,SpaceX 實現了一箭 64 星,刷新了美國記錄。

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要實現這一技術,至少應該有以下考慮:

其一是有效載荷的排列方式。

2015 年 9 月長征六號火箭實現了一箭 20 星之後,長征六號火箭副總設計師周遇仁曾這樣在采訪中表示:

20 顆衛星被分成 3 層,像金字塔般排列。這樣的布局設計能夠確保衛星分離速度、方向各不相同的情況下分離安全。

其二是火箭的運載能力——保證質量更大的數顆衛星搭上車;避免火箭出現飛行不穩定、受所攜帶設備干擾等問題。

其三則是星箭分離技術,衛星按程序從火箭的特定位置分離出來,互相不能碰撞,就需要在路線和時間上面有精確設計。

正如百度百科的表述:

一箭多星的發射成功,標志着運載火箭能力的提高,標志着分導核彈頭、發射技術和火箭與衛星分離技術上的新突破。

無疑,作為非專業人士,我們傾向於用單次搭載的有效載荷數量去衡量某一艘火箭、某一項任務甚至某一個國家的航天水平如何,但事實上,衛星數量多並不代表着技術含量一定高。

全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩曾在《科技日報》的采訪中表示:

把衛星送入相同或相近軌道,其技術含量較分批將衛星送到不同軌道要低。

也就是說,一箭多星發射的技術含量與發射方式的關聯更強。

龐之浩在采訪中肯定了(當時)印度實現一箭 104 星成就的不易,但也指出,由於所有衛星均被送往相同軌道,且總體質量也不大,因此在運載能力上較之前並無突破性飛躍。

另外《科技日報》在報道中也提到,一種加在火箭上的一級獨立飛行器「上面級」也是實現星箭分離技術的一大關鍵,目前也是個航天大國着力研發的技術之一:

被火箭運送到一定軌道後,「上面級」能自主飛行多次點火啟動,將航天器送入不同軌道空間。

SpaceX一箭143星破人類航天紀錄 「太空拼車」技術大起底

如今,SpaceX 以 143 的數量創造了世界紀錄,再一次促進了一箭多星技術的進步,未來 SpaceX 將如何開展「拼車」業務、這一發射技術還將有怎樣的突破,我們拭目以待。

引用來源:

https://www.space.com/spacex-launches-143-satellites-transporter-1-rocket-landing

https://mp.weixin.qq.com/s/cKOfPagkD9c9-dJWui66kQ

https://tech.ifeng.com/c/83JQGop7RKL

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1659463204976913806&wfr=spider&for=pc

來源:cnBeta