SpaceX一箭143星破人类航天纪录 “太空拼车”技术大起底

2021年01月25日 20:14 次阅读 稿源:雷锋网 条评论

就在昨夜,SpaceX 又一次创造了历史!北京时间 2021 年 1 月 24 日 23 时,美国佛罗里达卡纳维拉尔角发射基地,SpaceX 的猎鹰 9 号火箭携 143 颗卫星顺利发射升空。

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约 9 分 45 秒后,猎鹰 9 号第一级落在 Of Course I Still Love You 回收船上,这是 SpaceX 第 73 次回收一级助推器。

此次任务的主要亮点包括:

  • 火箭方面:提供动力的火箭为 B1058,于 2020 年 5 月首次投入使用(运送 Demo-2 龙飞船上的两位 NASA 宇航员 Bob Behnken 和 Doug Hurley 前往国际空间站),此次已是其第 5 次执行任务了。

  • 飞行距离方面:SpaceX 以往回收猎鹰 9 号一级火箭用时在 8 分钟左右,此次回收时间长了 1 分多钟,说明飞行距离更长。

  • 星链发射方式的创新:10 颗星链卫星是以固定在平板上的形式发射升空,将被发射至极地轨道,为阿拉斯加等极地地区的用户提供互联网覆盖。

  • SpaceX 首次专门“拼单”发射卫星。

  • 一箭 143 星创下了单枚火箭运输卫星数量的新纪录。

本文将在介绍该任务的基础上,揭秘“太空共享出行”和“一箭多星发射”。

一箭 143 星破纪录“拼单”

据了解,这项发射任务名为 Transporter-1(运输者 1 号),是 SpaceX 首个专门的“拼单”任务。

对此,美国太空网 Space.com 在报道中有这样一句表述:

这次飞行让 SpaceX 在一场精心编排的“轨道芭蕾舞”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 的客户数量超过 40 余家,总共搭载 143 个航天器(142 颗卫星和 1 个轨道转移飞行器),主要包括:

  • 10 颗星链卫星

  • 36 颗 SuperDove 卫星

  • 17 颗 Kepler 卫星

  • 3 颗 NASA 卫星(为测试航天器通信和导航新技术)

  • 9 颗 Eyries-1 卫星

  • 2 颗 EXOport-1 卫星

  • 28 颗 EXOport-2 卫星

  • 1 颗 Capella-3 卫星

  • 1 颗 Capella-4 卫星

  • 20 颗 D-Orbit's Pulse 卫星

  • 1 颗 SAR 卫星

  • 1 颗 iQPS-2 卫星

  • 轨道转移器 Sherpa-FX 及其搭载的 13 颗卫星

值得关注的是,Transporter-1 的发射载荷量占目前在轨卫星总数(约 2860 颗)的 5%,143 这个数字在人类太空发射历史上已是最高纪录了。

太空共享出行,背后打什么算盘?

看起来太空共享出行的时代已经来了,但实际上,即便对于 SpaceX 来说,卫星太空共享出行已经不是什么新鲜事了。

众所周知,SpaceX 已经为多家公司、机构向太空发射过有效载荷,其中在 2018 年 12 月的 SSO-A 任务中,SpaceX 火箭从加州的发射台出发,将 64 颗卫星送入了近地轨道,当时其实已经就有卫星太空共享出行内味儿了。

从那以后,SpaceX 也在几次星链任务中,尝试在火箭上加入其他的有效载荷(如 Planet 和 BlackSky 的小型立方体卫星),和自家的卫星共享火箭的空间。

那么问题来了,SpaceX 的“拼单”计划目的何在?

自然是为了降低成本。

2019 年,SpaceX 就曾宣布,猎鹰 9 号将在全年的特定时间内以拼车的形式发射卫星,欢迎各需求方通过专门的网站进行预订。

据了解,其拼团发射的费用为:200 千克有效载荷送至 SSO 太阳同步轨道,最低价为 100 万美元;增加的质量部分每公斤收取 5000 美元。

如果同时有很多客户一起参与拼单,愿意同时发射火箭上太空,那么成本就会低得多。

实际上,随着发射成本的降低,以及像美国私人火箭公司火箭实验室(Rocket Lab)和维珍轨道(Virgin Orbit)等公司的小型发射装置的出现,火箭的剩余运载能力得到充分利用,小型卫星要上太空也比以往更有利了。

然而,同时发射多颗卫星并非易事——每一颗卫星都必须按时间顺序部署,避免可能存在的碰撞。为此,SpaceX 团队使用了专门的发射器和可自由飞行的转移设备,一旦它们进入特定轨道,就会开始部署有效载荷,比如此次为地球观测公司 Planet 准备的 48 颗微型卫星在发射后不到 59 分钟就开始部署了。

Elon Musk 的商业头脑和团队越来越成熟的太空发射技术,使得 SpaceX 的首次正式大规模拼团发射像预期的那般顺利——2021 年,Transporter-2 和 Transporter-3 的任务也将进行。

一箭多星,载荷数量意味着什么?

由上述可知,Transporter-1 任务最大的亮点莫过于一箭多星发射刷新全球之最。

顾名思义,一箭多星是一种用一枚运载火箭同时或者先后将多颗卫星送入轨道的技术,主要分两种:一是把卫星一次性送入相同或相近轨道,二是分次分批释放卫星至不同轨道。

早在 1960 年,美国实现了一箭两星,成为首个掌握这项技术的国家。

随后于 1961 年,美国和前苏联分别实现了一箭三星、一箭八星。

直至 1981 年,我国也终于实现了一箭三星发射,由此成为第四个独立掌握这一技术的国家(在中国之前欧洲航天局率先掌握)。

在这一技术不再新鲜之后,各国在有效载荷数量上不断刷新纪录:

  • 2014 年 6 月,俄罗斯第聂伯火箭一次发射了 37 颗卫星。

  • 2015 年 9 月,中国长征六号火箭实现了一箭 20 星,打破了当时的亚洲航天纪录。

  • 2016 年 6 月,印度也实现了一箭 20 星。

  • 2017 年 2 月,印度创下了一箭 104 星的世界纪录。

  • 2018 年 12 月,SpaceX 实现了一箭 64 星,刷新了美国记录。

要实现这一技术,至少应该有以下考虑:

其一是有效载荷的排列方式。

2015 年 9 月长征六号火箭实现了一箭 20 星之后,长征六号火箭副总设计师周遇仁曾这样在采访中表示:

20 颗卫星被分成 3 层,像金字塔般排列。这样的布局设计能够确保卫星分离速度、方向各不相同的情况下分离安全。

其二是火箭的运载能力——保证质量更大的数颗卫星搭上车;避免火箭出现飞行不稳定、受所携带设备干扰等问题。

其三则是星箭分离技术,卫星按程序从火箭的特定位置分离出来,互相不能碰撞,就需要在路线和时间上面有精确设计。

正如百度百科的表述:

一箭多星的发射成功,标志着运载火箭能力的提高,标志着分导核弹头、发射技术和火箭与卫星分离技术上的新突破。

无疑,作为非专业人士,我们倾向于用单次搭载的有效载荷数量去衡量某一艘火箭、某一项任务甚至某一个国家的航天水平如何,但事实上,卫星数量多并不代表着技术含量一定高。

全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩曾在《科技日报》的采访中表示:

把卫星送入相同或相近轨道,其技术含量较分批将卫星送到不同轨道要低。

也就是说,一箭多星发射的技术含量与发射方式的关联更强。

庞之浩在采访中肯定了(当时)印度实现一箭 104 星成就的不易,但也指出,由于所有卫星均被送往相同轨道,且总体质量也不大,因此在运载能力上较之前并无突破性飞跃。

另外《科技日报》在报道中也提到,一种加在火箭上的一级独立飞行器“上面级”也是实现星箭分离技术的一大关键,目前也是个航天大国着力研发的技术之一:

被火箭运送到一定轨道后,“上面级”能自主飞行多次点火启动,将航天器送入不同轨道空间。

如今,SpaceX 以 143 的数量创造了世界纪录,再一次促进了一箭多星技术的进步,未来 SpaceX 将如何开展“拼车”业务、这一发射技术还将有怎样的突破,我们拭目以待。

引用来源:

https://twitter.com/SpaceX

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

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