小衛(wèi)星發(fā)射的可靠性

+ 張雪松/squirrel

小衛(wèi)星發(fā)射的可靠性

+ 張雪松/squirrel

隨著小衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，小衛(wèi)星發(fā)射領(lǐng)域也開始駛?cè)肟燔嚨?，不僅涌現(xiàn)出一大批小型/超小型運載火箭，還出現(xiàn)了空射運載火箭甚至可重復(fù)使用運載火箭等新概念。新一代小衛(wèi)星發(fā)射工具的出現(xiàn)，有望解決現(xiàn)在小衛(wèi)星發(fā)射中費用過高和性能不足的問題，但另一個問題也隨著付出水面：這些新興小衛(wèi)星發(fā)射工具是否可靠呢？

不容忽視的可靠性問題

商業(yè)航天尤其是小衛(wèi)星發(fā)射中，運載火箭提供商一貫強調(diào)物美價廉等因素，但運載火箭的可靠性同樣是不得不重視的核心問題，尤其是商業(yè)航天在一路高歌猛進之后，已經(jīng)遭到了接二連三的打擊：2014年10月軌道科學(xué)公司的安塔瑞斯火箭發(fā)射失敗，同月維珍銀河公司的太空船二號墜毀，2015年太空探索技術(shù)公司的獵鷹九號火箭發(fā)射失敗。

商業(yè)航天發(fā)射的失敗，對小衛(wèi)星發(fā)射并非僅僅是個教訓(xùn)。搭載發(fā)射一直到現(xiàn)在也是小衛(wèi)星尤其是納衛(wèi)星發(fā)射的主要方式，而軌道科學(xué)公司和太空探索技術(shù)公司的連續(xù)失敗，對微納衛(wèi)星的發(fā)射規(guī)模造成了毀滅性的打擊。美國SpaceWorks公司曾預(yù)測2015年1到50千克的微納衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量有望達到200多顆，但安塔瑞斯和獵鷹九號火箭先后發(fā)生爆炸事故后，這兩種微納衛(wèi)星主要的搭載運載工具都暫時停止發(fā)射，截止2015年8月僅僅發(fā)射了不到50顆微納衛(wèi)星。雖然2015年微納衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量劇減，有過于依賴安塔瑞斯和獵鷹九號火箭搭載的特殊因素，但也提醒我們即使對廉價的小衛(wèi)星和微納衛(wèi)星來說，可靠性仍是選擇發(fā)射工具的一個重要因素。

小衛(wèi)星發(fā)射目前主要采用小型火箭直接發(fā)射、中型火箭多星發(fā)射和大中型搭載發(fā)射方式等發(fā)射方式。即使是小型運載火箭發(fā)射，為了充分發(fā)揮運力一般也會使用一箭多星發(fā)射方式，如軌道通訊公司的第一代軌道通訊系統(tǒng)就是使用空射的飛馬座小型運載火箭一箭多星部署的，至于現(xiàn)有的第聶伯河火箭、聯(lián)盟火箭或是未來即將用于發(fā)射小衛(wèi)星的獵鷹九號中型火箭，更是會選擇一箭多星發(fā)射。一箭多星發(fā)射方式提高了單次發(fā)射失敗帶來的損失，即使小衛(wèi)星相對廉價，也不可能承擔(dān)得起成批損失的代價。運載工具的可靠性和發(fā)射成功率，仍是小衛(wèi)星市場上選擇發(fā)射工具時關(guān)注的核心問題之一。新一代小衛(wèi)星運載工具在追求降低發(fā)射成本的同時，必須同時保證足夠的發(fā)射成功率，才能在小衛(wèi)星發(fā)射市場上生存下來。

新一代運載工具的可靠性

新一代運載工具即將參與小衛(wèi)星發(fā)射市場的競爭，它們的賣點首先就是廉價。無論是資格較老的軌道科學(xué)公司或是太空探索技術(shù)公司提供的搭載發(fā)射，還是新興的螢火蟲空間系統(tǒng)和火箭實驗室等創(chuàng)新性公司提供的小型運載火箭，或是美國空軍和美國國防先進研究項目局投資開發(fā)的快速響應(yīng)發(fā)射小火箭，以及維珍銀河等公司的發(fā)射器系列空射火箭，都十分強調(diào)發(fā)射價格的低廉。我國的長征六號、快舟一號等小型運載火箭，同樣十分強調(diào)降低發(fā)射成本。面對強調(diào)廉價的新一代小衛(wèi)星運載工具，或許會有很多人疑惑是否“便宜沒好貨”，其實這是一個想當(dāng)然的誤解。

一般地說，產(chǎn)品的高可靠性需要高投入，這不僅意味著在研制過程中要高標準，在制造、檢測和維護過程中也需要嚴要求。不過凡事也不可一概而論，隨著技術(shù)的進步和經(jīng)驗的積累，即使在高投入高風(fēng)險的航天領(lǐng)域，也可以用更低的投入獲得足夠的可靠性，新一代小衛(wèi)星運載工具的可靠性，正是建立在航天工業(yè)過去幾十年里研制生產(chǎn)技術(shù)不斷進步和設(shè)計經(jīng)驗日益豐富的基礎(chǔ)上的。

隨著設(shè)計經(jīng)驗的豐富和技術(shù)的進步，現(xiàn)代運載火箭的設(shè)計已經(jīng)相當(dāng)成熟，如果不過分追求高性能的話，火箭設(shè)計并沒有早期那樣的挑戰(zhàn)性難度。軌道科學(xué)公司成立后將固體洲際導(dǎo)彈改進為小型固體運載火箭，火箭的研制速度和發(fā)射成功率都相當(dāng)出色，其難度與美國20世紀50年代研制固體彈道導(dǎo)彈的開創(chuàng)性的工作不可同日而語。現(xiàn)代設(shè)計制造中早已做到了計算機輔助設(shè)計仿真和三維數(shù)字化協(xié)同研制，不僅設(shè)計過程提前考慮工藝實現(xiàn)，而且做到三維數(shù)字模型直接下廠制造，降低了火箭研制的難度。以3D打印為代表的新工藝的出現(xiàn)，更是降低了火箭復(fù)雜部件制造的難度，并大大提高了相關(guān)分系統(tǒng)的可靠性。小衛(wèi)星發(fā)射市場上涌現(xiàn)的新一代運載火箭，并沒有像土星五號火箭或是航天飛機那樣追求性能極致，而是借鑒航天工業(yè)幾十年的火箭研制經(jīng)驗和設(shè)計，用成熟技術(shù)搭配組合的產(chǎn)物。正因為如此，這些小衛(wèi)星發(fā)射工具具有較高甚至更好的固有設(shè)計可靠性。

火箭要發(fā)展，動力要先行。以美國的螢火蟲α火箭為例，它的液氧甲烷發(fā)動機推力僅有44.5千牛/4.5噸，現(xiàn)代航天工業(yè)研制這種小型發(fā)動機早已輕而易舉；螢火蟲空間系統(tǒng)公司雖然是新興的小公司，但它的設(shè)計師和工程師們也并非剛出校門進行萬眾創(chuàng)新的新手，其中甚至有參與航天飛機主發(fā)動機（SSME）預(yù)燃室設(shè)計改進的資深專家；螢火蟲α的火箭發(fā)動機還使用了最簡單也是最可靠的擠壓循環(huán)，它的固有可靠性甚至要遠高于大多數(shù)專業(yè)制造商生產(chǎn)的、歷經(jīng)多次發(fā)射考驗的成熟火箭發(fā)動機。綜合這些因素，螢火蟲α火箭的動力系統(tǒng)并沒有多大問題，這也為整個火箭的高可靠性奠定了堅實的基礎(chǔ)。

新西蘭的“電子”火箭在發(fā)動機上同樣下了很大功夫，它的“盧瑟福”發(fā)動機不僅使用3D打印技術(shù)減少零件數(shù)量，降低研制和制造成本，同時也降低了發(fā)動機出現(xiàn)故障的概率，還使用了獨特的電驅(qū)動渦輪泵技術(shù)。眾所周知，除了最簡單的擠壓循環(huán)外，火箭發(fā)動機的其他循環(huán)方式都需要渦輪泵輸送推進劑，驅(qū)動渦輪需要預(yù)燃器或是燃氣發(fā)生器產(chǎn)生高溫高壓的氣體，涉及到復(fù)雜的高壓防熱、防氧化和結(jié)碳等問題，一向是傳統(tǒng)火箭發(fā)動機研制的核心和難點，對設(shè)計制造要求極高，而電動機則可以避免這些麻煩。電動機用于渦輪泵的想法并不罕新鮮，但電力來源卻是一個大問題，得益于現(xiàn)代高容量鋰電池技術(shù)的不斷發(fā)展，電池能量密度已經(jīng)達到了過氧化氫催化分解的水平，而后者正是老而彌堅的聯(lián)盟火箭主發(fā)動機驅(qū)動渦輪泵的選擇。

隨著現(xiàn)代電子工業(yè)的飛速發(fā)展，運載火箭的制導(dǎo)導(dǎo)航和控制系統(tǒng)研制難度和成本也顯著降低，小型運載火箭更是受益于先進微電子和微機電技術(shù)的進步，得以在低成本下實現(xiàn)老一輩航天人夢寐以求的性能，并做到了更高的可靠性。現(xiàn)代材料工業(yè)的進步也為小型運載火箭帶來了福音，現(xiàn)代航天工業(yè)中碳纖維復(fù)合材料得到了廣泛的應(yīng)用，固體火箭發(fā)動機或是火箭整流罩使用碳纖維復(fù)合材料早已司空見慣，液體推進劑的碳纖維復(fù)合材料儲箱也屢見不鮮。螢火蟲α和“電子”火箭液體運載火箭全面使用碳纖維復(fù)合材料箭體雖然是首見，但并沒有根本性的技術(shù)和工程障礙?，F(xiàn)代檢測技術(shù)的進步，同樣給小衛(wèi)星運載工具帶來了巨大的便利，尤其是對小型運載火箭萊說，火箭監(jiān)測和維護的難度進一步降低，這都意味著火箭可靠性的提高。

簡而言之，即將登場的新一代小衛(wèi)星運載工具雖然缺乏質(zhì)子和聯(lián)盟火箭那樣成百上千的發(fā)射記錄，但它們受益于現(xiàn)代航天工業(yè)設(shè)計和制造的全面進步，仍然具有很高的可靠性，它們欠缺的僅僅是實際發(fā)射幾率積累的成功率數(shù)據(jù)。其實這種趨勢在獵鷹九號火箭上就已經(jīng)表現(xiàn)出來，太空探索技術(shù)公司是一家新興公司，很長時間里人們也懷疑獵鷹九號火箭能否在發(fā)射成功率上和久經(jīng)考驗的老式運載火箭競爭，但即使今年出現(xiàn)了第一次徹底的發(fā)射失敗，獵鷹九號火箭的發(fā)射成功率仍然遠高于質(zhì)子火箭。

新一代運載工具的可靠性

航天發(fā)射追求高可靠性和高成功率絕非偶然，雖然運載火箭的發(fā)射價格始終居高不下，但現(xiàn)有的絕大多數(shù)發(fā)射中，衛(wèi)星飛船和探測器等載荷的價格要高于甚至遠高于按運載火箭。最極端的例子莫過于美國著名的“好奇號”火星車，“好奇號”的造價高達25億美元，而發(fā)射它的宇宙神5火箭卻只有這個價格的十分之一，從這個角度看大中型火箭不惜代價追求高成功率，實在是順理成章天經(jīng)地義。不過在小衛(wèi)星領(lǐng)域，隨著技術(shù)發(fā)展小衛(wèi)星和微納衛(wèi)星日益廉價，情況卻有了很大的不同。

小衛(wèi)星尤其是微納衛(wèi)星的造價相當(dāng)便宜，對發(fā)射失敗的容忍性較高，這就意味著小衛(wèi)星發(fā)射工具并不需要像發(fā)射深空探測器和載人飛船的運載火箭那樣不惜代價的追求可靠性。軌道通訊公司的第二代軌道通訊試驗星第一次搭載獵鷹九號火箭，由于火箭發(fā)動機故障未能進入預(yù)定軌道，但造成1000萬美元的損失，但與大型衛(wèi)星發(fā)射失敗的損失相比微不足道。軌道通訊公司正式組網(wǎng)的18顆第二代通訊星發(fā)射訂單，也仍由太空探索技術(shù)公司的獵鷹九號火箭發(fā)射。172千克的小衛(wèi)星Orbcomm-2尚且如此，微納衛(wèi)星對發(fā)射失敗的容忍更高，今年SpaceWorks公司對微納衛(wèi)星發(fā)展憂心忡忡的分析，首先提及的是小微納衛(wèi)星年度發(fā)射數(shù)量的降低，而不是發(fā)射失敗帶來的慘重損失，微納衛(wèi)星低廉成本帶來的優(yōu)勢躍然紙上。

或許正是因為如此，小衛(wèi)星發(fā)射工具雖然也有獵鷹九號火箭那樣打算用于載人發(fā)射而在設(shè)計上專門考慮的特例，但更多并沒有刻意追求超高可靠性，它們的可靠性更多是設(shè)計制造技術(shù)進步的結(jié)果，在降低設(shè)計制造成本的同時也提高了火箭發(fā)射的可靠性和成功率。對于俄羅斯Lin Industrial公司或是挪威計劃研制小型運載火箭的公司來說，它們專用于發(fā)射納衛(wèi)星的運載火箭甚至不排除為了追求廉價而降低對可靠性的要求。