輕舟已過萬重山

松鼠

據(jù)中新網(wǎng)、國防部網(wǎng)站和哈爾濱工業(yè)大學網(wǎng)站報道，北京時間9月25日12時37分，中國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心使用“快舟”小型運載火箭，將“快舟一號”衛(wèi)星成功送入預(yù)定軌道。這顆衛(wèi)星將由中國科技部下屬的國家遙感中心運行和使用，用于各類災(zāi)害的應(yīng)急監(jiān)測并為搶險救災(zāi)提供信息支持。

報道中的“快舟”

雖然這次發(fā)射并未預(yù)先向公眾通報，但“快舟”星、箭的出現(xiàn)并不令人意外。中國國內(nèi)期刊上早已刊登過多篇討論空間應(yīng)急飛行器的相關(guān)論文，對中國空間應(yīng)急飛行器的設(shè)計和使用做了一定的介紹。

中國新聞社在2010年5月9日的一篇報道證實，哈工大正在研制應(yīng)急飛行器。報道說：“中國航天科工集團公司與哈爾濱工業(yè)大學9日在北京簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，決定共建“快速響應(yīng)飛行器”……等5個技術(shù)聯(lián)合實驗室，以企校聯(lián)合促進產(chǎn)學研合作創(chuàng)新，為中國航天事業(yè)進一步發(fā)展注入新的活力?！?011年《裝備指揮技術(shù)學院學報》上的《應(yīng)急空間飛行器技術(shù)陣地貯存管理探析》一文中，介紹了應(yīng)急空間飛行器的概念，討論了技術(shù)陣地上應(yīng)急飛行器的貯存管理等概念，指出它和導彈武器類似，具有批量生產(chǎn)、長期儲備和一次性使用等特點，與常規(guī)空間飛行器大相徑庭。2012年《光學精密工程》上發(fā)表了一篇題為《基于可重構(gòu)技術(shù)的上面級航天器綜合電子系統(tǒng)》一文，介紹了一種火箭上面級和小衛(wèi)星一體化的綜合電子系統(tǒng)設(shè)計，透露這種星箭一體的航天器具有快速反應(yīng)的特點。上述兩文的作者都來自哈工大，顯示出該單位在深度關(guān)注應(yīng)急飛行器的有關(guān)技術(shù)。

而2013年9月25日當天，哈工大在官方網(wǎng)站上發(fā)布了校報的報道，題為《“快舟一號”衛(wèi)星總設(shè)計師徐國棟：悠悠我心終不悔》。由此正式公開了哈工大是“快舟一號”衛(wèi)星總體研制單位，也公開了總師的身份。

中國航天科工集團網(wǎng)站在試驗成功后的10月8日刊登了題為《中國航天科工快舟小型運載火箭研制紀實》的文章，正式公布中國航天科工集團公司承擔了快舟小型固體運載火箭與機動發(fā)射系統(tǒng)的研制生產(chǎn)任務(wù)。

美國的ORS

從設(shè)計和用途上說，“快舟”火箭和“快舟一號”衛(wèi)星構(gòu)成了典型的應(yīng)急空間飛行器系統(tǒng)，與美國軍方大力推動的作戰(zhàn)快速響應(yīng)太空（ORS）的概念十分相似。而在應(yīng)急空間飛行器領(lǐng)域，ORS是當之無愧的先驅(qū)。

ORS概念的出現(xiàn)，是美國對原有空間系統(tǒng)審視和反思的結(jié)果。美國擁有世界上規(guī)模最大、技術(shù)最先進的空間系統(tǒng)，現(xiàn)役的導航衛(wèi)星、光學和雷達偵察衛(wèi)星、電子偵察衛(wèi)星、導彈預(yù)警衛(wèi)星和通信衛(wèi)星技術(shù)先進、性能強大，有力支持美軍的作戰(zhàn)。美軍的軍事行動也越來越依賴于衛(wèi)星。但傳統(tǒng)思想下發(fā)展的空間系統(tǒng)偏重于衛(wèi)星的高性能、高可靠性和長壽命等指標，衛(wèi)星的研制、生產(chǎn)和發(fā)射準備時間長，技術(shù)和經(jīng)濟上的風險越來越高，很多衛(wèi)星項目的研制進度不斷拖延，給美軍戰(zhàn)斗力帶來了巨大的消極影響。

例如，美國國家偵察辦公室的“鎖眼”系列光學偵察衛(wèi)星久負盛名，但其最后一個型號KH-11衛(wèi)星研制成功之后，下一代衛(wèi)星的研制問題不斷，幾個換代項目都無疾而終，最近不得不又發(fā)射了兩顆第四批次的KH-11衛(wèi)星維持偵察能力。國家偵察辦公室的預(yù)算并不公開，但外界普遍認為這兩顆衛(wèi)星造價高達約30億美元，比一艘伯克級驅(qū)逐艦還要貴。同樣的尷尬也發(fā)生在“天基紅外系統(tǒng)”（SBIRS）身上，作為新一代的導彈預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)，SBIRS原計劃21世紀初完成，但它耗費巨資、幾經(jīng)拖延后，低軌道部分被取消，剩下的幾顆高橢圓軌道和靜止軌道衛(wèi)星還要花費一百多億美元。著名GPS系統(tǒng)也面臨類似的境況，研制中的第三代GPS的經(jīng)費需求水漲船高，研制卻一再延期。美國空軍甚至一度計劃跳過第三代，直接啟動第四代GPS研制。

如果說傳統(tǒng)空間系統(tǒng)的延期和超支，還可以用加強管理、加大投資的辦法解決，那么新的戰(zhàn)場局勢就不是這些傳統(tǒng)空間系統(tǒng)所能應(yīng)付的了。過去十多年里，美軍主要在阿富汗和伊拉克進行反恐作戰(zhàn)，同時要加強應(yīng)付地區(qū)性沖突的能力。這些非常規(guī)的應(yīng)急性戰(zhàn)術(shù)任務(wù)，對快速、及時的情報和通信支援要求很高。這是傳統(tǒng)空間系統(tǒng)無法應(yīng)對的挑戰(zhàn)。即使財大氣粗的美國，也不可能為了戰(zhàn)地指揮官的某個戰(zhàn)術(shù)行動需求，控制“鎖眼”衛(wèi)星變軌到特定戰(zhàn)區(qū)上空，更不要說立刻發(fā)射一顆新的“鎖眼”了。即使美國有錢到了可以按需發(fā)射“鎖眼”的程度，國家偵察辦公室和戰(zhàn)區(qū)部隊之間還隔著好幾道官僚機器，因此，戰(zhàn)區(qū)下級指揮官無法直接向國家偵察辦公室提出偵察申請。等到走完漫長的官僚程序后，戰(zhàn)場局勢早已發(fā)生了巨大的變化。

此外，美國未來的對手很可能擁有太空作戰(zhàn)能力，如果繼續(xù)沿用成本高、生存能力差、發(fā)射準備時間長的傳統(tǒng)空間系統(tǒng)，一旦對方通過軟硬殺傷措施擊毀一些關(guān)鍵的美國衛(wèi)星，美軍的作戰(zhàn)能力將遭到極大的削弱。

面對這樣的困境，美軍提出，希望通過空間系統(tǒng)廉價、快速、靈活地獲得戰(zhàn)術(shù)情報支援，同時降低衛(wèi)星的研制生產(chǎn)和發(fā)射運營成本，由此產(chǎn)生了ORS的概念。

2000年美國空軍提出了大規(guī)模生產(chǎn)的小衛(wèi)星概念。隨后，美國猶他州大學空間動力實驗室實現(xiàn)了流水線方式的小衛(wèi)星生產(chǎn)，大大降低了衛(wèi)星的研制生產(chǎn)成本。2001年美國國防部在軍事轉(zhuǎn)型中提出了“聯(lián)合太空作戰(zhàn)”的概念，計劃研制可進行戰(zhàn)場快速響應(yīng)的“戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星”（TacSat）。2003年美國國防部轉(zhuǎn)型辦公室正式提出了“戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星”的概念。“戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星”的基本思想是建立成本低廉具備快速反應(yīng)能力的太空平臺，將衛(wèi)星的使用從軍、師級下放到各級基層指揮員，甚至是班排長，使他們能夠更靈活、便捷地使用衛(wèi)星情報。2005年美國國防部又提出了包括運載火箭、戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星、近空間系統(tǒng)等多個領(lǐng)域的ORS倡議，旨在發(fā)展低成本、快速進入太空的能力。2006年美國空軍組建了ORS小衛(wèi)星中隊，負責操控未來的ORS衛(wèi)星。根據(jù)2006年10月17日美國總統(tǒng)布什批準的2007財年國防授權(quán)法案，美國國防部成立了ORS辦公室，并將國防部轉(zhuǎn)型辦公室負責的ORS業(yè)務(wù)全部移交給這個辦公室。

ORS的坎坷endprint

@發(fā)展不順的ORS火箭

美軍曾計劃使用太空探索技術(shù)公司的“獵鷹一號”火箭（Falcon 1）等火箭作為ORS的發(fā)射工具，但都未能成功，目前的ORS衛(wèi)星目前均由軌道科學公司的“人牛怪一號”火箭發(fā)射?！叭伺９忠惶枴辈捎霉腆w發(fā)動機，發(fā)射準備時間比液體運載火箭短得多，但因為采用傳統(tǒng)設(shè)計，其發(fā)射準備時間長達16天，而美軍所希望的發(fā)射準備時間是不到一周。目前美軍雖然正在推動研制新的快速發(fā)射火箭，但尚未進行試驗，更不要說投入使用了。

@不斷發(fā)展的“戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星”系列

相比運載火箭發(fā)展的滯后，“戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星”發(fā)展要順利得多。早在ORS辦公室成立前，美軍就計劃在2005年發(fā)射的戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星一號。“戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星一號”質(zhì)量約109千克，由美國國防部轉(zhuǎn)型辦公室和美國海軍研究實驗室聯(lián)合研制。“戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星一號”使用了成熟的商業(yè)小衛(wèi)星技術(shù)，主要驗證目的是空間設(shè)備協(xié)作使用和通過保密IP網(wǎng)絡(luò)分發(fā)數(shù)據(jù)，其搭載的兩個主探測載荷性能并不出眾。其中可見光成像儀的成像分辨率只有70米，紅外成像儀更是只有850米。

根據(jù)ORS辦公室最初的設(shè)想，地面部隊可以直接發(fā)射指令給“戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星”，衛(wèi)星根據(jù)指令拍攝地面目標，用星上計算機進行處理后發(fā)送到地面站。幾分鐘后，地面站可以通過保密IP網(wǎng)絡(luò)把所需要的數(shù)據(jù)發(fā)送給相應(yīng)地面部隊。由于“獵鷹一號”火箭發(fā)射臺被占用，“戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星一號”不斷推遲。隨后由于“獵鷹一號”火箭連續(xù)發(fā)射失敗，外加2006年12月“戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星二號”發(fā)射成功并驗證了相關(guān)技術(shù)，“戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星一號”的發(fā)射最終取消。

“戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星二號”的主要目標是突破掌握衛(wèi)星快速研制和快速部署的工程技術(shù)。它攜帶了一臺地球表面成像儀（ESI）作為主載荷，采用仙童公司的時間延遲積分線性掃描陣列（TDI-CCD），可實現(xiàn)0.9米的地面采樣分辨率?！皯?zhàn)術(shù)衛(wèi)星二號”還攜帶了美國海軍的目標指示器試驗設(shè)備（TIE），可以用來識別海上船只的身份。按照官方消息，“戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星二號”獲得了成功，但事后有媒體報道，由于美國海軍和國家偵察辦公室的糾紛，部分影響了衛(wèi)星的試驗任務(wù)。

2009年5月美國空軍試驗室的“戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星三號”衛(wèi)星發(fā)射升空，它的研制開始于2004年，原定2007年發(fā)射，但由于衛(wèi)星設(shè)備問題推遲了兩年。這顆衛(wèi)星質(zhì)量約400千克，攜帶了雷聲公司研制的超光譜成像載荷（HSI）和先進快速響應(yīng)戰(zhàn)術(shù)效果軍事成像分光儀（ARTEMIS）。戰(zhàn)場基層指揮官可以直接向衛(wèi)星發(fā)出詢問要求，HSI和AEREMIS對戰(zhàn)區(qū)進行偵察后，可以用文字的形式把情報發(fā)送給詢問者，整個過程可以在8分鐘內(nèi)完成。HIS和AEREMIS還可以獲取敵方部隊的超光譜影像?！皯?zhàn)術(shù)衛(wèi)星三號”還攜帶了海洋數(shù)據(jù)遙測微衛(wèi)星鏈路（ODTML），用于通信中繼。2009年“戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星三號”參加演習，達到了設(shè)計指標，顯示了ORS系統(tǒng)對戰(zhàn)場指揮官的巨大價值。試驗結(jié)束后，這顆衛(wèi)星被正式移交給美國空軍航天司令部提供情報服務(wù)。據(jù)稱，它的超光譜設(shè)備具備探測路邊炸彈和隧道的能力，對美軍的反恐作戰(zhàn)不無裨益。

2011年9月27日“戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星四號”發(fā)射升空，這顆衛(wèi)星由美國海軍研究實驗室主導，質(zhì)量約363千克，攜帶了通信載荷用于驗證超視距通信。實際上，它可以看作美國海軍“移動用戶目標系統(tǒng)”（MUOS）大型移動通信衛(wèi)星的迷你版?！皯?zhàn)術(shù)衛(wèi)星四號”的軌道近地點400千米、遠地點12000千米，在高軌道位置時，可以對熱點地區(qū)提供持續(xù)的通信中繼。

按計劃，還將研制“戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星五號”，為戰(zhàn)區(qū)指揮官提供實時數(shù)據(jù)搜集的能力。不過目前戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星五號的平臺和載荷仍未確定。

@ORS衛(wèi)星系列

ORS辦公室成立后，啟動了另一個獨立的快速響應(yīng)衛(wèi)星和運載火箭系列。2008年5月29日美國空間設(shè)備公司宣布，其“開拓者”衛(wèi)星平臺贏得ORS辦公室“跳躍啟動”任務(wù)合同。不過2008年8月，攜帶“開拓者”衛(wèi)星的“獵鷹一號“火箭發(fā)射失敗，這個項目不得不黯然收場。

“作戰(zhàn)快速響應(yīng)太空衛(wèi)星一號”（ORS-1）項目是ORS辦公室的第一顆實用型全任務(wù)衛(wèi)星。ORS-1衛(wèi)星的主承包商是古德里奇公司，該公司生產(chǎn)的SYERS-2光電圖像傳感器還是ORS-1衛(wèi)星的主要載荷，它是U-2S/TR-1高空偵察機所使用的偵察相機的升級版本。古德里奇公司在衛(wèi)星和傳感器領(lǐng)域具有深厚的底蘊，因此ORS-1從獲得合同到最后發(fā)射升空只用了兩年多時間。2011年6月29日ORS-1搭載軌道科學公司的“人牛怪一號“火箭升空。ORS-1在設(shè)計上充分體現(xiàn)了快速響應(yīng)的特點，已經(jīng)接近了按需發(fā)射，可以實現(xiàn)衛(wèi)星的快速補網(wǎng)或是更靈活的戰(zhàn)術(shù)使用。

ORS辦公室還計劃進行后續(xù)的ORS-2、ORS-3和ORS-4任務(wù)。ORS-2計劃試驗可重構(gòu)的太空標準模塊化系統(tǒng)，目標是在一年內(nèi)完成衛(wèi)星系統(tǒng)的研制、裝配、整合、發(fā)射和調(diào)試，進入運行狀態(tài)。ORS-2的主載荷將是合成孔徑雷達，用于為地面部隊提供全天候的情報支持，它還將攜帶通信和電子戰(zhàn)載荷。

ORS-3的目標是進行縮短發(fā)射時間和總體運行成本的嘗試，它將使用“人牛怪一號”火箭把一個立方體衛(wèi)星釋放器（IPS）送入傾角40.5度、高500千米的軌道。立方體衛(wèi)星是美國近年提出的新概念，基本型衛(wèi)星是邊長10厘米的方塊，所有的電源、控制、測控、有效載荷等都裝在這個方塊的表面和內(nèi)部；如果確實需要更大的星體來容納較大的有效載荷，可以擴展為兩個或三個這種立方體拼接成的長方體。立方體衛(wèi)星以微機電系統(tǒng)技術(shù)為基礎(chǔ)，具有研制周期短、研制成本低、集成裝配快、發(fā)射靈活和發(fā)射準備時間短等特點，還可以組成編隊或是星座執(zhí)行任務(wù)，甚至可以進行某些單顆大型衛(wèi)星無法實現(xiàn)的工作。立方體衛(wèi)星的研制門檻低，無論是傳統(tǒng)老牌航天大企業(yè)還是新型小企業(yè)或是高校都能參與，加上使用成熟貨架產(chǎn)品（COTS）和標準化衛(wèi)星平臺，便于小企業(yè)和高校實施技術(shù)創(chuàng)新，對促進和推動航天技術(shù)的發(fā)展有著不可忽視的作用。IPS將攜帶27個立方體衛(wèi)星，入軌后釋放到各自獨立的軌道上以避免碰撞。目前很多公司和大學都對參與ORS-3任務(wù)表示了興趣。endprint

ORS-4則是一個小型低成本運載火箭項目，名為“超級斯迪比”，能將300千克的載荷送入近地軌道，主要用于發(fā)射小衛(wèi)星和立方體衛(wèi)星?！俺壦沟媳取辈捎萌壒腆w運載火箭，發(fā)動機由美國阿羅杰特公司提供。它不僅增強了ORS辦公室的快速發(fā)射能力，還將為美國大學提供進入太空的能力。各種小衛(wèi)星和立方體衛(wèi)星可以用它來發(fā)射，而無需等待大型運載火箭發(fā)射時搭載。這不僅有望降低發(fā)射成本，還提高了發(fā)射時間和軌道的靈活性，具有很高的軍用和民用價值。

總的說來，雖然美軍的ORS還未最后定型，但其概念已經(jīng)取得了巨大的成功，得到了廣泛認可。未來快速響應(yīng)太空系統(tǒng)將進一步驗證不同的載荷、衛(wèi)星平臺和軌道，加速衛(wèi)星平臺和載荷研制的標準化，進一步加強衛(wèi)星快速標準化設(shè)計、快速制造、組裝和測試等方面的能力。

淺說“快舟”

美國的ORS概念引起了全世界航天界的關(guān)注，其中當然也包括中國的航天人，于是就有了前文所說的“快舟”。“快舟一號”衛(wèi)星注重快速設(shè)計、制造和發(fā)射，在技術(shù)上與ORS有相同的方向。相比ORS，“快舟”項目的規(guī)模要小得多，用途也完全不同。但兩者在技術(shù)上是存在可比性的。

@世界先進水平的”快舟一號”衛(wèi)星

哈工大王樹國校長于2012年11月22日在中國高等教育改革與發(fā)展網(wǎng)發(fā)表了一篇題為《乘勢聚力 協(xié)同創(chuàng)新 推進世界一流大學建設(shè)》的文章，介紹了該校承擔的國家重大專項工程，其中指出“應(yīng)急空間飛行器，該系列衛(wèi)星的第一顆，總經(jīng)費7.9億元，2011-2012年飛行演示，用于國家應(yīng)急減災(zāi)等方面”。7.9億元這個數(shù)字與美國ORS-1衛(wèi)星的總體投入基本相當，可見國家對此的重視程度很高。而根據(jù)徐國棟的論文，“快舟一號”衛(wèi)星很可能使用了柔性化和模塊化的設(shè)計構(gòu)型，構(gòu)建了可靈活配置滿足多種載荷需求的通用小型航天器平臺，在設(shè)計概念上趕上了世界先進水平。

當然，在應(yīng)急飛行器的應(yīng)用體制上，中美之間存在著巨大的不同?！翱熘垡惶枴毙l(wèi)星用于應(yīng)急救災(zāi)，體現(xiàn)了中國和平利用空間的一貫主張。美國從戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星系列到ORS系列，全都是軍用衛(wèi)星。不過在應(yīng)用的技術(shù)上，ORS卻有很多地方值得“快舟一號”繼續(xù)借鑒。在突發(fā)性災(zāi)害的現(xiàn)場，應(yīng)急救災(zāi)人員同樣需要高時效地獲取災(zāi)區(qū)圖像和信息，這與美軍戰(zhàn)區(qū)基層指揮官的需求有很大相似之處。只不過一個用來救人，一個用來殺人。從目前公開的信息開，遙感部門似乎還沒有推出相應(yīng)的技術(shù)、設(shè)備和流程，供應(yīng)急人員現(xiàn)場指揮衛(wèi)星拍攝并及時獲取信息。只有做到了這一點，“快舟”才配得上快速響應(yīng)的稱呼。當然，這需要更多的研發(fā)與實踐。

@世界先進水平的“快舟”火箭

ORS概念中，具備快速發(fā)射能力的運載火箭也是核心因素。航天科工的網(wǎng)站報道說，這次發(fā)射標志著中國首次成功采用固體小型運載火箭，也意味著航天科工在國內(nèi)率先開展了固體小型運載火箭的研制，并取得了重要成果，具備了基于固體小型運載火箭進行衛(wèi)星發(fā)射的能力。其中引用集團董事長高紅衛(wèi)的話說：“我們目前與世界在同步的起點上，未來發(fā)展空間很大。如果能實現(xiàn)衛(wèi)星的按需發(fā)射，將發(fā)射時間壓縮到數(shù)天以內(nèi)，發(fā)射成本比目前的水平再降低20%左右，競爭優(yōu)勢將十分明顯?！睆钠錂C動發(fā)射的設(shè)計看，“快舟“的運力肯定不大，但配合作為小衛(wèi)星的”快舟一號“，已經(jīng)滿足了快速發(fā)射的要求。從技術(shù)上說，”快舟“是一種自動化和智能化水平很高，地面測試和發(fā)射準備時間很短的快速發(fā)射運載火箭。按照高紅衛(wèi)董事長的說法，“快舟”瞄準的發(fā)射時間只有幾天，很可能不到一周。這在當今已經(jīng)公開的運載火箭中具有最高水平，有望先于美國實現(xiàn)ORS的指標。它不但為中國應(yīng)對突發(fā)性自然災(zāi)害提供了新的技術(shù)手段，并很可能以低廉的發(fā)射成本和便捷的發(fā)射服務(wù)，促進中國小衛(wèi)星和立方體衛(wèi)星的發(fā)展，帶動衛(wèi)星研制生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化。

從戰(zhàn)略層面講，“快舟”的出現(xiàn)，豐富了中國的運載火箭品種，壯大了航天發(fā)射能力，有利于中國對外提供更加多樣化的商業(yè)航天發(fā)射服務(wù)。

總的說來，“快舟”火箭和“快舟一號”衛(wèi)星是中國空間應(yīng)急飛行器的開路先鋒，它們的成功是中國快速響應(yīng)太空系統(tǒng)發(fā)展的里程碑。雖然中國在宇航器件的研制上仍然明顯落后于美國，但”快舟“的成功說明，中國航天在觀念上一點也不落后于美國。隨著中國航天技術(shù)的進步，相信無論是我們的快速發(fā)射火箭還是應(yīng)急飛行器都將迅猛發(fā)展，趕超ORS。endprint