“大大小小”的运载火箭：航天发射服务更加多样化

　　2018年伊始，国际航天发射领域就迎来了多次重大事件。仅不到1周的时间，世界上最小的运载火箭——日本宇宙航空研究开发机构的SS-520和世界上现役能力最强的运载火箭——美国 SpaceX公司的猎鹰重型火箭相继发射成功。与此同时，美国火箭实验室公司也在新西兰成功发射电子小型运载火箭。这些“大大小小”的运载火箭各自有何优势和使命？是否预示着航天发射服务正朝着多样化发展？
　　灵活机动的微小型火箭

　　▲ 电子小型运载火箭
　　根据苏联航天先驱齐奥尔科夫斯基提出的火箭方程，运载火箭的推进剂所占的比重越大，火箭的加速能力就越强。
　　由于火箭的结构、控制、电气等装置要占据一些重量，这就导致火箭越大，其推进剂的比例越容易做得更高，能力也就越强，可运送的有效载荷占火箭起飞重量的比例就越高。从这个角度讲，火箭越小，越不容易得到较高的运载系数。
　　然而，近年来，随着微纳卫星的发展，对小型运载火箭的需求越来越旺盛。这一方面是由于随着电子技术的发展，卫星的部组件功能越来越强大，以前需要大卫星才能完成的功能，现在由微纳卫星就有可能实现；另一方面是由于微纳卫星的功能和用途越来越广泛，因此也逐渐对其需要进入的轨道提出了越来越多的要求。
　　过去，微纳卫星功能不强，主要是为了完成一些教学、小规模的科研和技术验证任务，由于没有合适其大小的运载火箭，而单独为这样的小卫星使用大型运载火箭又不划算，因此小卫星通常采用搭载方式发射。
　　在这种情况下，发射服务提供方优先考虑的是运载火箭的主载荷对轨道的需求，并且搭载载荷的尺寸、安全性等方面都不能影响到主载荷，所以就给搭载发射的微纳卫星提出了很多限制。
　　更为重要的是，整个发射业务的周期是由火箭的主载荷来决定的，搭载的卫星没有太多的选择余地，如果跟不上进度，只能放弃这次搭载机会，如果主载荷出现拖延也只能等着。所有这些正反面的因素催生了市场对微小型运载火箭的需求。
　　然而，从目前来看，已经成功发射的SS-520、“电子”等小型运载火箭虽然能满足微纳卫星对发射周期、轨道等方面的要求，但由于它们的运载系数较低，导致其单位质量的发射成本高于搭载方式的成本。
　　也许，未来会出现“搭载发射为主，微小型火箭补充”的态势。不过随着未来微纳卫星的蓬勃发展，发射机会的绝对数量必然会逐渐增加。
　　“大家伙”的大担当

　　▲ “猎鹰重型”火箭
　　采用27台发动机并联、技术风险极大的“猎鹰重型”在其首次试飞中就取得成功，在不回收的工作模式下，其低轨道运载能力超过63吨，成为目前人类现役运载火箭中的“最强者”。
　　实际上，从阿波罗计划结束至今，低轨道运载能力在20吨量级的各航天大国主力运载火箭已经能满足近几十年来航天活动的所有需求。
　　然而，随着美国将载人登陆火星作为其航天活动的长期战略目标，并且有可能将重返月球作为其重要的中间步骤，而俄罗斯、中国等航天大国也提出了相关方面的设想或需求，并最终有可能落实为实际的计划，这就使得重型火箭的发展再次进入人们的视野。
　　对于载人登月这样的目标，需要近地轨道运载能力100吨以上的重型运载火箭，甚至需要这样的火箭发射两次才能完成一次登月任务。
　　近地轨道运载能力在60吨量级的“猎鹰重型”运载火箭还满足不了这样的需求，只能将龙飞船这样的载荷送到奔月轨道，而这样大小的飞船由于机动能力不足，无法从奔月轨道制动进入绕月轨道，因此只能采用自由返回轨道，绕月球一圈即回来。
　　因此，在载人登月乃至登陆火星这样的应用领域，“猎鹰重型”更大的意义在于对大量并联发动机带来的各种问题进行探索，为未来更大的大型猎鹰火箭进行技术积累。
　　但除了载人登月之外，“猎鹰重型”还是有非常好应用前景的。例如数量极多的低轨或高轨卫星星座的建设，“猎鹰重型”可以用一次发射就将一个轨道面的全部卫星发射入轨，36次发射就可完成1个超大型卫星星座的部署，且每颗卫星的质量还不低。
　　另一个非常有希望的领域就是深空探测。目前，受火箭的运载能力限制，很多深空探测器不得不采用迂回前进的方式。例如，“卡西尼号”需要先飞往金星，借助金星、地球等的引力加速，才能飞往其目的地——土星。
　　如果采用“猎鹰重型”就有可能将类似的探测器直接送到飞往目的地的轨道，不但节省很多时间，探测器的设计也可以在很大程度上简化。
　　系列化与通用化是“通途”

　　▲ 长征运载火箭型谱
　　当前，世界各主要航天大国的运载火箭除了向大型化和微小型化发展，还有一个重要的趋势是朝着系列化和通用化的方向发展。
　　为了满足不同运载能力、不同轨道的发射服务需求，各国通常都会尽可能地使用较少的发动机种类、较少的箭体结构种类来实现不同运载能力的系列化发展，构建运载能力范围广泛的火箭系列。
　　比较典型的例子包括：美国的“宇宙神系列”“德尔塔系列”、俄罗斯的“安加拉系列”、中国的“长征系列”等运载火箭，其芯级火箭的直径一般只有1~2种，运载火箭的级数23级配合不同数量的助推器实现全范围的能力覆盖。
　　虽然在这种情况下，某些组合的效率和运载系数未必最佳，却可以用最小的投入和最快的速度构建相应运载能力的火箭来满足市场需求。
　　在系列化与通用化的进程中，上面级扮演着越来越重要的角色，不但可以在基础级相同的情况下适应不同轨道的发射任务，还可以通过延长在轨时间来实现多个载荷在不同轨道的部署。
　　特别是对于地球同步轨道卫星的发射业务，系列化与通用化可以将卫星直接送入最终轨道，省去了传统地球同步轨道卫星庞大的远地点发动机，使得这些卫星可以做得更小。
　　可以预见，随着人类航天活动越来越走向繁荣，对航天发射服务的需求也将更加多样化发展，更大、更小更多样化的运载火箭，都将在技术创新的驱动下，不断提升性能，加速人类探索与开发太空的步伐。