文 / 杨开

2020年9月3日，阿里安航天公司成功利用织女星小型火箭执行“小卫星任务系统”方案验证任务。织女星火箭在2019年7月遭遇失利之后，成功实现复飞。

织女星火箭共发射了53颗微小卫星，来自13个国家的21个用户，其中7颗是质量在15～150千克之间的微卫星，另外46颗为0.25U～6U的立方星，卫星及适配器的总重大约为1310千克。在7颗微小卫星中有一颗比较特殊，称为“ION卫星载具”，是意大利D-轨道公司的立方星部署装置，本身搭载了12颗立方星。如果把这12颗卫星算上，织女星火箭此次实际上共将65个载荷送入了太空。

▲ 火箭起飞

完善欧洲火箭型谱最后一环

执行本次任务的织女星火箭为四级小型运载火箭，700公里太阳同步轨道运载能力1430千克。火箭采用三级固体加常温液体上面级的四级构型，其上面级是从乌克兰引进，称为“姿态微调上面模块”（AVUM），具备多次启动能力。

截至2020年9月3日，织女星火箭共执行15次发射任务，遭遇1次失利。2019年7月，“织女星”在执行阿联酋的猎鹰眼军事侦察卫星发射时，由于二级热防护结构失效导致发射失败，星箭俱毁，造成航天领域史上最高的保险赔付金额——3.69亿欧元。而事故原因是由于质量检测环节没有发现二子级热防护结构厚度比设计值低，火箭带着问题上天，最终导致发射失败。

织女星火箭由欧空局出资，意大利艾维欧公司研制，阿里安航天公司负责发射服务运营，自2012年投入使用，在阿里安5大型火箭以及从俄罗斯引进的联盟号ST中型火箭之后，弥补了欧洲在1吨左右的小型载荷发射能力上的缺失，形成了完整的运载火箭型谱。近年来，随着微小卫星的快速发展，卫星尺寸和质量出现更大幅度的下降之后，“织女星”也顺理成章地成为欧洲进行小卫星拼车发射任务验证和应用的试验田。

欧洲还在研制运载能力更大的织女星C火箭。该火箭采用更大规模的一二子级固体火箭发动机，运载能力提升到2吨以上，任务范围也大幅拓展，不仅能够利用SSMS执行多星拼车发射服务，还能够配合电推力上面级将载荷送入同步轨道，或者配合“太空骑手”轨道飞行器将载荷返回地面，能够吸引更多的微小卫星厂商。

▲ 织女星共发射53颗小卫星（实际65个载荷）

▲ 织女星火箭三子级、上面级和整流罩内的载荷

SSMS拼车发射系统解决方案

本次任务的重要目标就是验证称为“小卫星任务系统”（SSMS）的微小卫星拼车发射服务方案。阿里安航天公司将SSMS的任务形式分为两类：第一类就是专门为多颗微小卫星提供拼车发射服务，就像本次任务一样，53颗卫星之间并不区分主次；第二类是在有1颗主星的情况下，可以为主星匹配多颗微小卫星。SSMS能够匹配的卫星类型非常广泛，质量范围覆盖0.2千克到500千克之间，再配合上述两种任务类型，能够提供非常灵活的发射机会，对于微小卫星厂家而言具有很大的吸引力。在SSMS方案下，为了实现大量小卫星的拼车发射，重点要解决以下三个方面的问题。

紧凑造型——结构和尺寸如何容纳众多大小不一的小卫星？

为了实现SSMS，关键是能够匹配大量小卫星的分配器。SSMS的“乐高式”分配器将有效载荷空间分为上下两部分：下部采用六棱柱支撑模块，可以容纳6颗纳卫星或12个立方星部署器，在进入发射场前完成载荷安装；上部采用一个支撑板模块，配合塔型模块或柱形模块，可安装微卫星、迷你卫星和小卫星，在发射场内进行安装。分配器的下部可以单独使用，配合一颗主星搭载纳卫星或立方星发射使用。SSMS通过模块化的设计，不同模块之间可以用杆和隔板进行固定或调整。

▲ 改进之后的织女星C具备5类任务发射能力

SSMS分配器全部采用低密度铝合金夹层结构，以高分子聚合物作为表面保护材料，实现结构重量的最小化。

本次任务作为SSMS的方案验证任务，采用了较为复杂的组合形式，代号为FLEX-3。底部为六棱柱结构，安装了12个独立的立方星部署器，每个面上安装2个部署器，共携带46颗立方星。支撑板上部安装了1个圆柱形模块和3个塔形模块，共搭载7颗微卫星。其中，支撑板上颗直接安装3颗，3个塔形模块顶端分别安装1颗，柱形模块顶端安装1颗。

不同位置安装的卫星尺寸和重量都有限制，每个位置的上限如下页表所示。

▲ SSMS乐高式的分配器模块，通过不同的组合方案大幅提升任务灵活性

本次任务中采用FLEX-3分配器对载荷尺寸和质量的限制

▲ 本次任务中采用的FLEX-3分配器结构示意图（底部灰色部分为织女星火箭的1194适配器）

最优线路——火箭飞行弹道做了优化

本次任务的53颗卫星其质量大约为770千克，而FLEX-3分配器质量约为459千克，再加上1194适配器的81千克质量，入轨总重约为1310千克，和织女星火箭运载能力上限1430千克相比，还有一定余量，允许为多星部署进行轨道优化。

设计人员充分利用AVUM上面级的重启能力，在任务过程中设计了5次点火启动。其中前2次启动将上面级和载荷送入高度大约为515公里的太阳同步轨道，完成7颗微卫星的分离入轨。AVUM再经历2次短时间的启动后，将轨道高度调整至大约530公里，完成剩余的46颗小卫星的部署。最后，通过第5次启动完成离轨机动，避免上面级对轨道环境产生影响和污染。

规律部署——如何合理地对分离机构和分离时序进行设计？

在SSMS任务中，为了保证载荷可靠分离，采用了两类分离机构。一类是由美国行星系统公司研发的MLB系列包带式分离系统，采用弹簧、推杆、开关和连接器等机械结构，通过电机驱动实现解锁，接口直径包括29.7厘米、33厘米和38.1厘米三种。相比传统火工解锁方式，大幅降低了分离冲击，有利于实现多星部署。这类分离机构用于安装在支撑板模块上方的7颗微卫星。另一类是专门用于立方星分离的部署器，包括美国太瓦克公司6NLAS部署器、荷兰空间创新系统公司的QuadPack和ISIPOD部署器等，能够实现多个立方星的可靠分离和时序控制，避免立方星之间产生干涉，同样也是基于机械分离方式的非火工方案。

▲ SSMS任务中的微卫星采用行星系统公司的MLB系列包带式分离系统

▲ 分离时序的示意图

▲ 太瓦克公司的6NLAS立方星部署器

本次任务将53颗卫星分为2组分别部署在高度略有差异的两个轨道上。在AVUM上面级完成2次点火工作，进入高度约515公里的太阳同步轨道后，安装在FLEX-3柱形模块和塔形模块上的4个微卫星先依次分离，分离时间间隔在1秒到2秒之间。之后，AVUM上面级会经历时长大约500秒的无动力滑行阶段，滑过大约半个轨道后，几乎同时释放安装在支撑板上的3个微卫星。在分离前，AVUM会利用姿控系统完成2米每秒的小幅机动，保证3颗卫星轨道略有差异，不会发生碰撞。

▲ 荷兰空间创新系统公司的QuadPack立方星部署器

之后，AVUM上面级进行第三次和第四次点火，进入高度约530公里的轨道，利用立方星部署器，依次释放安装在底部六棱柱模块的46个立方星，分离的时间间隔大约为5秒（部分情况下会有2颗卫星同时分离），在3分钟的时间内完成部署。分离时序的示意如下图所示。因为立方星不必担心被上面级姿控系统推力器的排放物污染或影响，所以在立方星分离的3分钟内，上面级姿控系统一直持续工作，保证立方星之间不会发生碰撞。另外，姿控系统在最后部署阶段能够持续工作，还提高了任务灵活性——如果临时更换或减少了某些立方星导致整体质心发生变化，姿控系统也能够保证分离过程不受影响。

在微小卫星快速发展的大背景下，欧洲顺势而为，利用“织女星”成功完成一箭53星任务，不仅能够解决欧洲各类研究机构对于小卫星发射机会的需求，也让原本就注重商业市场的欧洲发射服务业更具有竞争力。尤其是采用SSMS系统之后，能够充分利用织女星火箭的性能和上面级多次启动能力，而且匹配微小卫星的范围也非常广泛，首飞即能够组织13个国家的21家用户，足以说明其竞争力。