拼火箭上太空，“一箭多星”是如何实现火箭共享的？ _生活百科

转眼间，2023年已临近尾声，但中国航天依旧紧锣密鼓保持着高密度发射，不断突破，一次次交出亮眼成绩单。26日，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭与远征一号上面级，成功发射第五十七颗、五十八颗北斗导航卫星。但一箭双星只是“小场面”，早在今年6月，我国在太原卫星发射中心使用长征二号丁运载火箭成功发射吉林一号高分06A星等41颗卫星，刷新了我国一次发射卫星数量最多的纪录，更是意义非凡。

图片来源：新华社（郑斌摄）
一箭多星，指的是一枚运载火箭同时或先后将多枚卫星送入预定轨道的技术。卫星在火箭上如何“排排坐”，到站后怎样能做到有序“下车”？我们今天就来聊聊“拼火箭”上天背后的故事。
01
高端的“食材”，往往采用朴素而优越的“烹饪方式”
与传统的单星发射相比，“一箭多星”能够更充分地利用火箭运载能力、提高发射效率。看似是各大航天企业的“高端操作”，实则是应对竞争越来越激烈的商业航天发射市?。?节省运载火箭发射费用、降低发射成本采取的常规选择。
最早实现一箭多星的国家是美国。美国在1960年首次用一枚火箭发射了两颗卫星，在1961年又实现了一箭三星。接着，苏联多次用一枚火箭发射8颗卫星。随后，欧洲航天局也掌握了这种发射技术。中国在1981年9月成功地用一枚“风暴一号”运载火箭将一组三颗“实践二号”卫星送入地球轨道，成为第四个独立掌握一箭多星发射技术的国家。印度和日本则分别于2008年和2009年实现了一箭多星发射。

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【拼火箭上太空，“一箭多星”是如何实现火箭共享的？】这些早期的一箭多星发射任务，基本上都是服务于政府的专用载荷，其基本的特点就是在研制之初，卫星载荷就与运载火箭方面进行了详细的沟通协调，双方为了任务的圆满成功都进行了相应的适应性设计，包括额外的支架、承力结构等，但这些结构一般都不是通用性的，这次任务完成之后就没有用武之地了。
随着通信卫星星座的兴起，航天领域又有了多次重复进行同样的一箭多星发射的需求，比如铱星、全球星等。由于批量大，运载火箭为了服务好这些大客户，一般会为它们定制专门的卫星支架甚至是上面级。比如我国的长征二号丙运载火箭当年为了发射铱星，就研制增加了上面级并联双星智能分配器。
再后来出现了微小卫星，这些卫星重量轻、体积小、投资少，大多用于技术研究，更希望能以低廉的价格进入太空，因此运载火箭常常在主载荷的卫星支架或火箭末级上留一个附加的位置，将其“捎”到太空。这种方式被称为“搭载” 。搭载卫星在研制进度、发射轨道、环境要求上完全服从于主载荷，没有一点话语权。可以说为了进入太空，活成了“卑微的小透明” 。
近年来随着小卫星市场的蓬勃发展，带来了小卫星发射需求的快速上升，小卫星发射数量占到了每年卫星发射总数的绝大部分。据欧洲咨询公司在2021年所作的预测，2021～2030 年全球预计将累计发射13912颗微小卫星，平均每颗卫星发射质量仅180千克。在这种形势下，火箭拼单开始大行其道，一箭多星的规模也越来越大。印度于2017年实现了一箭104星发射，美国SpaceX公司又于2021年创造了一箭143星的纪录。
大量小卫星拼单所带来的发射组织困难，催生出了多个专门搞“拼单”的中介公司。他们需要开展大量客户协调工作，解决部分客户拖期变动对整体进度的影响。其中著名的有德国柏林的Exolaunch、意大利的D-Orbit 和美国西雅图的Spaceflight等发射经纪公司。

当地时间12月23日，SpaceX成功发射并回收了23颗V2mini Starlink卫星（G-32），这是他们首次使用复用的火箭，打破了此前的纪录。
图片来源：SpaceX公司官方账号
为了抢夺小卫星市?。?SpaceX公司还祭出了“航班化”的绝招，即像高铁一样，不管是否凑齐所有买票的客户，都准点发车，提高发射的确定性。另外增加发射频次，误点的客户也不用慌乱，加点钱还可以赶下一班。这样SpaceX公司就成为绝大多数小卫星客户的首选，奠定了自己的优势地位。大量的客户也使得航班化有了切实的保证，反过来进一步强化这一优势地位。试想，你是会选择准点的班车，还是非要等客满才出发的“黑车”？
02
卫星排排坐，不仅要坐得下，还要“坐得舒服”
实现一箭多星，卫星数量多少不是关键，如何让所有的卫星“乘客”都有一个舒适的座位，不至于在发射过程中发生磕碰、挤压，能够安全地抵达太空，才更凸显技术含量。
一次性要将那么多颗卫星安全顺利地送入轨道，首先要解决的是卫星在整流罩内的布局问题，不仅要保证“坐得下”，还要“坐得舒服” 。为此，需要根据卫星结构、任务需求，优化“座位”布局，
为了能够给卫星以坚实的支撑，将火箭推力结结实实地传给卫星，一般火箭会安装一个圆锥形的卫星支架，下面直径较大的一端连接到火箭末级的圆柱外壳上，上面直径较小的一端连接卫星的星箭对接框。
单独享受火箭发射任务时，卫星可以独占火箭的卫星支架、包带等解锁分离装置。然而对于一箭多星来说， “僧多粥少”，一个对接框远远不够。这些卫星的体积、重量大小不一，形状各有不同，需要对火箭整流罩内的空间进行有效约束、分配和利用，才能让卫星顺利搭载和分离。
这就需要通过转换装置，转换出多个不同的卫星接口，供所有的卫星进行对接安装。这个装置一般被称为“多星分配器” 。分配器有多种形式，如果发射类型相似的卫星，可采用中心承力筒式分配器或盘式分配器，也可以采用锥型分配器，便于卫星向外释放。
在多星分配器上，卫星根据各自特性的不同，有的是端坐在顶上，有的是侧挂在壁上，还有的包装在释放装置内，保证大家各得其所，都能够经受住火箭发射时的飞行环境，安全地进入到太空。
03
迎来分离时刻：“解开安全带，安全下车！”
火箭将卫星安全送入太空之后，还需要完成最后一道关键工序，那就是将卫星“扶下来” ，送它飞向自己的应许之地。这就需要掌握稳定可靠的“星箭分离”技术，卫星从多星分配器上分离出来，不能相互碰撞，还需选择最佳的飞行路线和确定最佳分离时刻，使这么多卫星在各自的轨道上运行。另外，还必须考虑火箭在逐步分离卫星的时候，火箭结构和重心发生变化所带来的影响，避免火箭自身姿态失控与卫星发生碰撞。
卫星数量越多，卫星从火箭分离出去后在轨道飞行碰撞的风险就越大。为了避免出现拥挤碰撞，一般将多星分配器上的卫星按层分组，卫星按组进行依次分离。每组卫星分离之后，火箭通过开启反推火箭拉开自身与刚刚释放出去的卫星之间的距离，然后开启下一组卫星的分离，直到最后。通过这种方法，保障了彼此之间分离的安全性。

长征二号丁运载火箭飞行840秒左右，41颗卫星开始陆续与火箭分离。
图片来源：央视新闻截屏
一箭多星分离方式的选择对于卫星的分离准确率和安全影响很大，需要考虑到不同卫星分离的顺序、时间、角度和速度等诸多因素。同时，由于分离过程中会受到姿态稳定、地球引力和空气阻力等多重因素的干扰，需要对分离过程实现进行大量的仿真计算，在实际过程中精确控制各种动作，以保证卫星分离后的空间位置和轨道参数的精确和安全。
随着世界各国卫星技术不断发展，激活“卫星快递”的商业新活力，未来更多人类进入太空的图景也正在被描画勾勒。
本文作者：于远航北京宇航系统工程研究所高级工程师
出品：科普中国
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拼火箭上太空，“一箭多星”是如何实现火箭共享的？

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