為什麼小衛星要採取一箭多星發射？

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作者：王錚

中國科學院國家空間科學中心

空間天氣學國家重點實驗室

這幾十年來空間技術不斷發展，我們人類發射了越來越多的人造地球衛星，衛星應用已經滲入到通信、氣象、導航、資源環境、軍事偵察、科學研究等各種領域，並向高性能、高集成方向發展。

而發展的衛星技術，又有兩個發展方向。一個方向是我們把越來越多的功能綜合集成給一個衛星，讓它一次能幹更多的事，這種衛星雖然通過改進儀器節約重量，但是畢竟我們火箭運載能力也不斷提高，允許我們發射更大重量、功能更多的綜合性衛星。

巨型火箭「土星五號」

而另一方面，有時我們只想實現少量功能，希望降低衛星成本、減小風險、加快衛星開發研製周期，這種單一任務的專用衛星甚至是多個衛星編隊組網，更需要投資小、見效快的衛星技術，小衛星技術就因此應運而生。小衛星往往不到12個月就可以實現從設計、製造、發射、在軌運行全過程，價格低廉，風險也小。

根據衛星的質量，通常將小於1000公斤的衛星稱為廣義的小衛星，其中，將500-1000公斤的衛星稱為小衛星，100-500公斤的衛星稱為微小衛星，10-100公斤的稱為顯微衛星，小於10公斤的稱為納米衛星。

小衛星在近年來相當熱門，特別是大衛星只有國家級的投入才能實現，而我們剛才提到的小衛星的投資小、見效快的優點，適合現在商業化的發展。鑒於衛星在日常生活中的作用日益顯著，越來越多的私人公司、大學等機構也有意參與衛星研製，很自然的技術門檻低的微小衛星備受青睞。與大衛星相比，單顆小衛星的功能相對較低，但用多顆小衛星組合起來合作完成某項特定任務，性價比可能更高。

而近年來的小衛星，又幾乎都實用「一箭多星」的發射技術。一箭多星，即用一枚運載火箭同時或先後將數顆衛星送入地球軌道的技術。最早實現一箭多星的國家是美國。1960年美國首次用一枚火箭發射了兩顆衛星，1961年又實現了一箭三星。美國之後是前蘇聯，隨後歐洲航天局也成功實現了用一枚火箭將一顆氣象衛星和一個實驗通信衛星同時送入太空。

1981年9月20日，我國成功地用一枚運載火箭同時把3顆衛星送入地球軌道。這3顆空間物理探測衛星準確入軌，運行正常，向地面發送了各種科學和試驗數據。一箭三星發射成功，使我國在一箭多星發射技術方面，成為世界上第4個掌握這種發射技術的國家。下圖是2015年9月我國一箭20星的長征六號發射。

2015年我國一箭20星的長征六號發射

為什麼小衛星要採取一箭多星發射呢？

在流水化生產降低成本的今天，我們不可能發射一個衛星就定製一個火箭，火箭有一定的規格，比如我們常聽的長征三號乙、土星五號等等。相比大衛星要根據火箭運載能力限制各個儀器的重量，小衛星則面對火箭運載能力過剩的問題。一枚火箭發射僅僅幾千克的小小一枚衛星顯得非常奢侈，擺在小衛星面前的一個重要難題是單獨發射的成本過高。

火箭發射其實相當多的燃料用於把笨重的火箭以及路上要用到的燃料送到高空甚至宇宙中——特別是燃料，為了把燃料送到宇宙中而用更多的燃料來運送它們，那更多的燃料又需要燃料來運送，所以燃料消耗不是隨重量線性增長的。

很明顯，一箭多星能分攤發射成本，這與小衛星發展的降低成本的初衷是一致的。每次發射的衛星數量越多，單顆衛星的花費就越低，如果有批量化運載火箭的訂單，火箭的研製成本還會更低。一箭多星可以充分利用運載火箭的運載能力餘量，經濟便捷地將衛星送入地球軌道，為衛星發射服務提供多種選擇模式，對微小衛星的發展而言尤其重要。

排列的微小衛星

一箭多星發射有兩種：一種是在相似的高度投放多個衛星，一種是在火箭飛行到不同高度分別投放衛星。對於第一種，要麼是不同用途的多個小衛星執行任務的高度相似，要麼它們甚至就是共同組成同一個系列的衛星網，一次發射運送它們非常便利；對於第二種，也可以把火箭從低空向高空飛行的過程利用起來。一箭多星使得我們無需重複發射火箭，畢竟光是安排火箭發射窗口、還有那些用完就丟的火箭成本就非常頭疼。

當然反過來說，這也是一箭多星的制約之處。一箭多星需要攜帶的衛星是能夠「順路」的，要麼是相同軌道的一次釋放，要麼通過計算軌道也能在飛行中途釋放然後入軌，如果火箭需要「繞道」，可能還得不償失；各個衛星可能來自不同的發射任務，衛星研發、組裝、發射窗口、軌道選擇等等都需要互相研討、協調。而且衛星的總重也受運載火箭推力的限制，像是大衛星自己已經為限重做了犧牲，一次一箭多星發射能夠容納的衛星也是有限的。另外衛星的排列、釋放等也有要求，大衛星大項目不適合再用小衛星給系統增加複雜程度。所以衛星發射並不能每次採用一箭多星的方式。

一箭多星在火箭中的布局

近10年間，國外一箭多星發射次數占運載火箭總發射次數的1/4左右。微小型衛星技術的高速發展，尤其是衛星製造技術和相關標準的不斷成熟，多星發射的需求將會越來越多，並將成為微小衛星低成本進入太空的主要手段。

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