末级搭载：小型载荷进入太空的新路径

　　近几年，商业航天风起云涌，全球小卫星产业发展迅猛，排队等待进入太空的小卫星数量逐年增多。然而，由于目前小卫星进入太空的渠道主要依赖搭载发射，受主任务运载能力、目标轨道、履约周期等的制约，机会较为稀缺。同时，很多小卫星进入太空的目的是完成小型试验载荷的空间试验验证等，进入太空即可实现，对轨道、朝向等的要求并不高。
　　基于以上情况，中国航天科技集团公司一院创新性地提出运载火箭末级搭载模式，将小型试验载荷及其核心配套组件（统称小型载荷）直接安装在火箭末级上发射升空，在火箭末级留轨期间完成载荷的空间试验。这种末级搭载模式为小型载荷进入太空开辟了一条捷径，开创了发射服务的一种新模式。
　　小载荷有了更多“上天”机会
　　按照国际惯例，质量为500~1000公斤的卫星被称为小卫星，100~500公斤的被称为微小卫星，10~100公斤的被称为微卫星，小于10公斤的被称为纳卫星。当前宇航发射市场上通常提到的小卫星大都是指微卫星和纳卫星。
　　早在2013年，一院宇航部就针对小卫星发射市场进行了调研。结果显示，很多小卫星的核心任务在于将小型载荷放置于宇宙空间环境中完成试验，小卫星本身只是起了安装结构、供电、环境控制等平台作用。
　　进入太空绝非易事。国际上绝大多数运载火箭都是为发射数百公斤级以上的卫星而研制的。我国运载能力最小的现役液体火箭700公里太阳同步轨道运载能力为1吨。即便是新一代运载火箭中堪称小型的长征十一号固体运载火箭，其低轨运载能力也达到了700公斤。
　　且不论多个搭载小卫星的目标轨道能否统一，单从找到足以填满此运载能力的若干小卫星集中在同一发火箭上进行发射，已堪称“不可能的任务”。
　　而搭载发射虽是当前小卫星发射的主渠道，但这条途径是由作为主乘客的大型卫星决定的，受主任务运载能力、目标轨道、履约周期等制约，仍供不应求。
　　一院的调查结果显示，有相当一部分需进入太空的试验验证载荷全系统加起来只有几公斤到十几公斤重，相当于火箭上一个系统单机的重量，增加这一重量对火箭的运载能力影响很小。
　　一院宇航部项目主管尚辉介绍，这类试验载荷要求的是最基本的发射服务——进入太空，完成元器件在轨试验、太空环境测试、微重力试验、生物的太空辐照培养试验等。相比于安装在小卫星上再由火箭发射的模式，将小型载荷直接安装在火箭末级则更加直接便捷，且复用了火箭的结构，减轻了一部分发射重量，降低了发射成本。
　　火箭末级在与主任务卫星分离后，通常会进入不会影响任务卫星运行的轨道。此后或成为太空垃圾，或运行一段时间后再入大气层烧毁。在此期间，小型载荷可随火箭末级在太空中绕地球运行，这段时间足够它们完成各项试验。
　　与一般卫星进入太空需要与火箭之间建立复杂且昂贵的机械和电器接口相比，由于小载荷末级搭载不需要星箭分离，它们只需固定安装在火箭末级上受整流罩保护的区域内合适且安全的位置即可。简单的接口进一步降低了发射成本。
　　历史上的“连体”飞行
　　根据航天运输系统和发射服务的理念，进入太空的机会就是一种资源，发射服务即是创造和使用这种资源；小卫星搭载是对主任务剩余资源的利用，而火箭末级搭载则是对这种资源的进一步利用。同时，与将小卫星送入太空并实现分离的发射任务相比，让更多小型载荷与火箭末级捆绑在一起，可减少空间物体的数量，方便后续空间垃圾的跟踪、规避与处置。
　　2014年10月24日，长征三号乙运载火箭载着探月工程三期再入返回飞行试验器从西昌卫星发射中心腾空而起。在此次发射任务中，还有1个名叫4M的探月小型载荷随着火箭第三子级一起进入地月转移轨道，开始绕月飞行。
　　4M探月小型载荷由卢森堡空间公司研制，额定任务期为196小时，主要科学目的就是绕月飞行，并完成长效电池性能验证试验、辐照计部件测试等。
　　根据给定的发射计划、经费预算及火箭搭载空间，一院采取火箭末级搭载的模式，在长三乙第三级顶部、主有效载荷下方的火箭仪器舱支架板上为4M小型载荷安排了一个搭载空间。这个小型载荷进入太空后，按计划在轨开机并回传时间、电源电压、电流、温度、轨道辐照值等参数，来自世界五大洲几十个国家的60多个业余无线电个人或组织接收到了它发出的信号。
　　4M小型载荷在太空超期服役2倍的时间，完成了地月往返环绕飞行，于2014年11月11日发送最后一帧信号后静默，圆满完成了各项试验任务。这次搭载也成为人类史上首次探月商业发射服务。
　　2016年11月10日，长征十一号运载火箭发射成功，另外有丰台少年一号等两个小型载荷以末级搭载形式进入太空。两个小型载荷均顺利完成在轨工作，为促进我国航天科普教育作出了贡献，再次证明了火箭末级搭载模式的有效性。
　　太空“婴儿”的守护者
　　刚出生的婴儿第一声啼哭很重要，因为这是其离开母体后是否第一时间实现了呼吸等生命机能的标志。卫星等有效载荷也一样，与火箭分离后、与地面建立联系前的这段时间是他们的风险期。
　　这时，卫星各项主要功能还没有启动，有的卫星天线还没有对准地球的相应角度，有的卫星正在原地旋转还不能持续发送信号，有些卫星太阳帆板没有打开……小卫星和小型载荷情况更甚。茫茫宇宙中，小卫星和小型载荷因为个头小，地面更难跟踪到它们，就像刚出生的小婴儿，它们需要外界给予一些帮助。
　　如果采用末级搭载模式，这个早期看护的任务就由火箭末级来完成。刚刚分离的火箭末级还保持着与地面通信的能力，且末级体积较大，搭载在其上的小型载荷更容易被跟踪到。如果需要，末级还能转发小型载荷的状态信息。如果任务允许，火箭末级上剩余的燃料还能支持末级完成一定的机动动作，提供更有利于小型载荷的轨道和姿态。此外，随着市场需求的牵引和技术升级，火箭末级还可提供升级的“看护”服务，如供电、信号回传等。
　　“十三五”期间，我国长征系列运载火箭将迎来新一轮高密度发射期，仅一院抓总研制的长征火箭就将完成数十次发射，目标轨道涵盖近地轨道、太阳同步轨道、地球同步轨道、地月转移轨道等。这为开展小型载荷的末级搭载创造了机会。
　　商场如战场，对于商业航天来说，成本和机会非常重要。末级搭载模式为商业小型载荷提供了低成本和快捷进入太空的渠道，成为航天商业发射服务的一种新 业 务 模式，为客户提供了一种新的选择。
　　（文章来源：中国航天报）

网络转载