印度“一箭104星”任務(wù)簡析

印度“一箭104星”任務(wù)簡析

Analysis on the Mission of India' s Launching of 104 Satellites on a Single Rocket

劉博 特日格樂 王聰 陳建光 李虹琳 （中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院）

2017年2月15日，印度“極軌衛(wèi)星運載火箭”（PSLV）搭載104顆衛(wèi)星從薩提斯達瓦航天中心發(fā)射，將制圖衛(wèi)星-2D（CartoSat-2D）遙感衛(wèi)星和103顆納衛(wèi)星送至太陽同步軌道（SSO），打破俄羅斯“第聶伯”（Dnepr）火箭“一箭三十七星”發(fā)射記錄，創(chuàng)下運載火箭單次發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量世界記錄。

1 發(fā)射任務(wù)情況

“極軌衛(wèi)星運載火箭”基本情況

“極軌衛(wèi)星運載火箭”系列包括3種在役型號，基本型極軌衛(wèi)星運載火箭-G為捆綁6枚固體助推器的四級運載火箭；芯級型極軌衛(wèi)星運載火箭-CA為不捆綁固體助推器的四級火箭；增強型極軌衛(wèi)星運載火箭-XL與基本型構(gòu)型相同，增加了固體助推器推進劑質(zhì)量來提升運載能力。印度此次發(fā)射使用增強型極軌衛(wèi)星運載火箭-XL，全長44.4m，起飛質(zhì)量320t，整流罩直徑3.2m、高8.3m。該火箭太陽同步軌道運載能力1750kg，地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）運載能力1425kg。

極軌衛(wèi)星運載火箭-XL第一級捆綁助推器采用固體推進劑，芯級間隔采用固、液推進系統(tǒng)，芯一級、三級采用固體推進劑，二級和四級采用液體推進劑。

火箭發(fā)射時序

此次發(fā)射的104顆衛(wèi)星中，制圖衛(wèi)星-2D和印度納衛(wèi)星-1A、1B（INS-1A、1B）直接安裝在火箭第四級（上面級）適配器上，其余納衛(wèi)星則封裝在25個荷蘭公司研制的“QuadPacks”納衛(wèi)星分配器上，再被安裝于火箭第四級。當火箭發(fā)射至510km軌道高度后，火箭上面級首先釋放制圖衛(wèi)星-2D和印度納衛(wèi)星-1A、1B；之后10min內(nèi)，上面級控制“QuadPacks”分配器在511.7～524km高度范圍依次彈出其余衛(wèi)星，確保衛(wèi)星之間不會相撞。

火箭發(fā)射時序

“極軌衛(wèi)星運載火箭”各級性能參數(shù)

入軌衛(wèi)星情況

本次任務(wù)發(fā)射的衛(wèi)星總質(zhì)量為1378kg，包括1顆“制圖衛(wèi)星”、2顆“印度納衛(wèi)星”，以及101顆來自美國、荷蘭、瑞士等的國外納衛(wèi)星。衛(wèi)星軌道高度位于510～524km之間，傾角97.46°。

（1）制圖衛(wèi)星-2D

制圖衛(wèi)星-2D由印度空間研究組織（ISRO）研制，是印度軍民兩用高分辨率光學(xué)對地成像衛(wèi)星制圖衛(wèi)星-2系列中的第5顆。該衛(wèi)星采用印度遙感衛(wèi)星-2（IRS-2）平臺，質(zhì)量714kg，由印度空間研究組織負責運營。該系列衛(wèi)星旨在獲取高分辨率和多光譜圖像，為印度軍方以及民事應(yīng)用提供服務(wù)，主要用途包括地圖測繪、城市規(guī)劃、環(huán)境監(jiān)測、資源管理以及減災(zāi)。

該衛(wèi)星攜帶2個有效載荷，1個是高分辨率全色相機，分辨率0.65m，另1個是4通道多光譜成像儀，分辨率2m，幅寬10km。這2個載荷共用1個口徑70cm、焦距5.6m的望遠鏡。制圖衛(wèi)星-2D入軌后將與2016年6月發(fā)射入軌的制圖衛(wèi)星-2C構(gòu)成雙星星座，實現(xiàn)對印度國土的快速重訪。此外，為實現(xiàn)更高的分辨率，該衛(wèi)星軌道高度為505km，低于之前的制圖衛(wèi)星-2、2A和2B系列衛(wèi)星。

（2）印度納衛(wèi)星-1A和1B

印度納衛(wèi)星-1A和1B是印度空間研究組織研制的2顆技術(shù)試驗衛(wèi)星，均采用了新型“印度納衛(wèi)星”多用途平臺，將進行6個月至1年的在軌演示任務(wù)，以驗證該衛(wèi)星平臺性能。該衛(wèi)星平臺采用高度模塊化設(shè)計，可進行多種載荷的技術(shù)演示和科學(xué)研究任務(wù)，其主要目標是，為發(fā)展中國家提供將本國載荷以更具效費比方式送入太空的機會。

印度納衛(wèi)星-1A質(zhì)量8.4kg，有效載荷包括“表面雙向反射分布函數(shù)輻射計”（SBR）和“單粒子翻轉(zhuǎn)監(jiān)測儀”（SEUM），均由印度太空應(yīng)用中心（SAC）研制，前者用于測量地面目標的雙向反射分布函數(shù)，后者用于監(jiān)測一些商業(yè)現(xiàn)貨（COTS）電子元器件在低軌道太空環(huán)境下的單粒子翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。印度納衛(wèi)星-1B衛(wèi)星質(zhì)量為9.7kg，搭載載荷包括由印度光電系統(tǒng)實驗室研制的“地球大氣外逸層萊曼α分析儀”和由印度太空應(yīng)用中心研制的超精細相機，前者用于測量近地空間中的原子氫的光譜特征以研究氫含量，后者主要完成技術(shù)驗證任務(wù)。

（3）鴿群-3P衛(wèi)星

本次發(fā)射的88顆鴿群-3P（Flock-3P）衛(wèi)星屬于美國行星公司（Planet），是其運營的“鴿子”（Dove）星座衛(wèi)星系列。鴿群-3P衛(wèi)星質(zhì)量4.7kg，可以獲取地球表面全色和多波段圖像，圖像分辨率3～5m。

行星公司之前的大多數(shù)“鴿群”衛(wèi)星采取從“國際空間站”（ISS）釋放的部署方式，部署軌道不能覆蓋整個地球，并且衛(wèi)星只能持續(xù)工作6個月至1年時間。利用此次“極軌衛(wèi)星運載火箭”搭載發(fā)射，88顆“鴿群”衛(wèi)星可以被送入更高、更長期的軌道，進而實現(xiàn)全球覆蓋；并且這是目前世界單次發(fā)射部署同一個運營商衛(wèi)星數(shù)量最多的任務(wù)，也是“鴿群”衛(wèi)星的第15次發(fā)射部署。

（4）狐猴-2

本次發(fā)射的8顆狐猴-2（Lemur-2）衛(wèi)星屬于美國斯派爾公司（Spire），均為3U立方體衛(wèi)星，并采用相同衛(wèi)星配置，每顆質(zhì)量4.6kg。衛(wèi)星搭載2個有效載荷，包括用于探測地球大氣層溫濕度垂直剖面數(shù)據(jù)的GPS掩星測量系統(tǒng)，以及用于跟蹤識別全球海上船只以提供商業(yè)服務(wù)的“自動識別系統(tǒng)”（AIS）接收機。該批狐猴-2衛(wèi)星發(fā)射成功，將斯派爾公司的遙感衛(wèi)星星座規(guī)模提升至29顆。

（5）“壓電輔助智能衛(wèi)星結(jié)構(gòu)”

“壓電輔助智能衛(wèi)星結(jié)構(gòu)”（PEASSS）是荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究院（TNO）聯(lián)合多家歐洲企業(yè)研制的3U立方體技術(shù)試驗衛(wèi)星。該衛(wèi)星質(zhì)量僅3kg，屬于歐盟委員會“研究和發(fā)展信息服務(wù)共同體”（CORDIS）框架管理的項目。該衛(wèi)星由歐盟委員會根據(jù)“第七框架計劃”投資研制，投資方包括荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究院、德國主動太空技術(shù)公司（AST）、以色列理工學(xué)院（Technion）、比利時索納卡公司（SONACA）和荷蘭太空創(chuàng)新公司（ISIS） 等。任務(wù)目標是演示由復(fù)合面板、壓電材料和下一代傳感器結(jié)合構(gòu)成的智能結(jié)構(gòu)技術(shù)。該技術(shù)可以保持光學(xué)元件完美校準，抵消來自衛(wèi)星平臺的機械振動，并減輕衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的熱膨脹/收縮，是未來構(gòu)建超穩(wěn)定天基成像系統(tǒng)的基礎(chǔ)。除了驗證智能結(jié)構(gòu)及其性能，“壓電輔助智能衛(wèi)星結(jié)構(gòu)”將測試用于納衛(wèi)星的下一代功率調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)采集組件。

（6）DlDO-2

DIDO-2衛(wèi)星是由瑞士-以色利聯(lián)合公司SpacePharma設(shè)計的3U微重力研究立方體衛(wèi)星，質(zhì)量為4.3kg，目的是開發(fā)一個可以完全遙控的太空微型實驗室，開展微生物學(xué)、生物化學(xué)以及微物理學(xué)研究實驗。該衛(wèi)星搭載名為mGnify的微型實驗系統(tǒng)，為研究人員提供了微重力的研究環(huán)境。地面人員可以從世界任何地方經(jīng)過安全的網(wǎng)絡(luò)接口，遙控進行“單芯片實驗技術(shù)”載荷、顯微鏡、光譜儀、微型重力泵和其他設(shè)備的試驗。

（7）BGUSat

BGUSat是以色列古里安大學(xué)與以色列航空航天公司聯(lián)合研制的3U立方體技術(shù)試驗衛(wèi)星，主要用于在低地球軌道（LEO）上進行技術(shù)驗證。衛(wèi)星質(zhì)量為4.3kg，由古里安大學(xué)學(xué)生設(shè)計，攜帶的有效載荷包括1個獲取648×488像素圖像的中等分辨率CCD相機，實驗性天基GPS接收機，光通信系統(tǒng)、實驗型陀螺儀和一個為未來小衛(wèi)星任務(wù)設(shè)計的霍尼韋爾智能數(shù)字磁力計單元。

（8）Al-Farabi-1

Al-Farabi-1是由哈薩克斯坦法拉比國立大學(xué)學(xué)生研制的1顆2U立方體技術(shù)試驗衛(wèi)星，旨在為高校學(xué)生進行衛(wèi)星任務(wù)研制提供工程經(jīng)驗，任務(wù)內(nèi)容包括調(diào)整測試通信算法、衛(wèi)星姿態(tài)測定與控制軟件，以及測試星上自研器件壽命。衛(wèi)星搭載的主要載荷是商用航天級全色相機NanoCam。該相機由丹麥GomSpace公司提供，用于進行地球遙感成像試驗，覆蓋范圍165km×125km，空間分辨率80m。

（9）Nayif-1

Nayif-1由阿聯(lián)酋穆罕默德·賓·拉希德空間中心（MNRSC）和美國薩迦大學(xué)（AUS）聯(lián)合研制，是1顆1U立方體技術(shù)試驗衛(wèi)星，也是阿聯(lián)酋的第一顆納衛(wèi)星，旨在為高校學(xué)生提供衛(wèi)星飛行任務(wù)設(shè)計、開發(fā)、制造和操作方面的實踐經(jīng)驗。該衛(wèi)星質(zhì)量為1.1kg，星上有效載荷為業(yè)余無線電衛(wèi)星公司提供的業(yè)余通信終端FunCube-5。

2 印度運載火箭技術(shù)能力分析

印度“一箭多星”發(fā)射技術(shù)趨于成熟，與主要航天國家仍有差距

“一箭多星”發(fā)射是用一枚運載火箭將2顆及以上衛(wèi)星發(fā)射至相同或不同的預(yù)定軌道，可充分利用火箭運載能力，降低衛(wèi)星發(fā)射成本。目前世界上掌握“一箭多星”發(fā)射技術(shù)的國家/地區(qū)有美國、俄羅斯、歐洲、中國、日本、印度。其中，印度于1999年首次利用“極軌衛(wèi)星運載火箭”成功實施“一箭三星”發(fā)射，至今已成功完成19次“一箭多星”任務(wù)。其中，于2016年9月突破火箭上面級重啟與變軌技術(shù)，將8顆衛(wèi)星送入2個不同軌道；在本次“一箭104星”多星共軌發(fā)射任務(wù)中，印度引進了國外標準化多星分配器，解決百顆納衛(wèi)星與火箭的接口適配難題，同時還提升了上面級星箭分離和調(diào)姿控制能力，確保每顆衛(wèi)星獨立分離、有序入軌，標志著印度在多衛(wèi)星集成、星箭分離等關(guān)鍵技術(shù)方面已逐漸成熟。“極軌衛(wèi)星運載火箭”系列火箭經(jīng)過多次改進，可靠性不斷提高，發(fā)射成功率達94.74%，發(fā)射頻率也逐年增加，2016年達到6次。但“極軌衛(wèi)星運載火箭”運載能力較低，主要執(zhí)行太陽同步軌道多星發(fā)射任務(wù)，發(fā)射的載荷約90%是質(zhì)量低于100kg的微衛(wèi)星和納衛(wèi)星，無法執(zhí)行大中型衛(wèi)星的地球同步轉(zhuǎn)移軌道多星發(fā)射。同時“極軌衛(wèi)星運載火箭”上面級采用有毒常溫推進劑，推力小、在軌時間短、推進劑管理水平低，而美、俄、歐、日的先進上面級多已采用液氫/液氧低溫無毒推進劑，在軌時間最長可達數(shù)十天、可多次高精度變軌，印度與其相比仍有較大技術(shù)差距。

印度航天運載能力偏低，有望年內(nèi)實現(xiàn)提升

印度目前運載能力最大的在役火箭是“地球同步衛(wèi)星運載火箭”（GSLV），其近地軌道運載能力5t、地球同步轉(zhuǎn)移軌道運載能力2.5t，遠低于主要航天國家20噸級近地軌道運載能力，且可靠性較低，發(fā)射成功率僅50%。為提升運載能力，滿足未來衛(wèi)星發(fā)射、載人航天、深空探測等需求，印度開始研制新一代兩級構(gòu)型地球同步衛(wèi)星運載火箭-MK3，目標是使近地軌道和地球同步轉(zhuǎn)移軌道運載能力分別達到8t和4t，已于2014年成功進行首次亞軌道飛行試驗。上面級只搭載模擬發(fā)動機，主要驗證了火箭第一級和兩枚捆綁的大型固體助推器性能。其中固體助推器海平面推力達5996kN，僅次于美國航天飛機固體助推器（SRB）和歐洲阿里安-5（Ariane-5）固體助推器，成為世界第三。同時，印度已具備獨立研制液氧/液氫低溫上面級發(fā)動機的能力，新一代推力達200kN的上面級C25于2017年2月完成持續(xù)點火試驗，滿足所有飛行性能指標，實現(xiàn)研制里程碑。裝有此上面級的地球同步衛(wèi)星運載火箭-Mk3有望在2017年中發(fā)射，將大幅提升印度航天運載能力。

3 結(jié)語

小衛(wèi)星搭載發(fā)射將成為發(fā)展趨勢，印度借助成熟技術(shù)已搶占先機

傳統(tǒng)火箭單星發(fā)射時，搭載的衛(wèi)星質(zhì)量不會與火箭運載能力完全一致，造成運載能力極大浪費。采用“一箭多星”方式可根據(jù)火箭剩余運載能力合理選擇搭載對象，增加衛(wèi)星發(fā)射機會，實現(xiàn)衛(wèi)星星座快速組網(wǎng)，提高火箭自身效益，降低單顆衛(wèi)星發(fā)射成本。近年來隨著微納衛(wèi)星發(fā)射需求的不斷增長，各國相繼利用大中型火箭開展多星發(fā)射業(yè)務(wù)，2016年達到20次（不包括空間站釋放多星），占年發(fā)射次數(shù)23.5%，將113顆各類衛(wèi)星送入軌道。印度利用“極軌衛(wèi)星運載火箭”低價格、高可靠、可“一箭多星”發(fā)射的特點，快速拓展微納衛(wèi)星商業(yè)發(fā)射市場業(yè)務(wù)，至今已為美國、德國、法國等23個國家發(fā)射了180顆衛(wèi)星（包括此次101顆），并計劃在2020年將“極軌衛(wèi)星運載火箭”業(yè)務(wù)移交給商業(yè)公司，提高火箭發(fā)射頻率，有望進一步提升商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射市場份額。

印度持續(xù)加大航天領(lǐng)域投入，在多個領(lǐng)域取得較大進展

近年來，印度逐步邁入世界深空探測技術(shù)先進國家行列，已于2014年成功將火星探測器送入火星軌道，成為繼美、俄、歐之后全球第4個成功實現(xiàn)火星探測的國家/地區(qū)，還計劃于2018年一次性實施月船-2（Chandrayaan-2）“繞、落、巡”月球探測任務(wù)。印度應(yīng)用衛(wèi)星體系也不斷完善，建成了由7顆衛(wèi)星組成的“印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”（IRNSS），具備自主區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航能力；印度目前在軌遙感衛(wèi)星共計18顆，“制圖衛(wèi)星”、“雷達成像衛(wèi)星”分別提供優(yōu)于1m分辨率的光學(xué)和雷達圖像，本次發(fā)射的制圖衛(wèi)星-2D分辨率已達0.65m，印度還計劃2018年部署分辨率為0.25m的新一代“制圖衛(wèi)星”，有望達到世界先進水平。

印度從國際合作走向自力更生，標志著其航天工業(yè)整體能力水平正在提升

印度在發(fā)展航天的道路上，采取引進、改造和自行研制相結(jié)合的方式，利用其不結(jié)盟的國際地位與特殊的地理位置，較中國等國家更容易取得國際支持，實現(xiàn)了投資少、起點高、見效快的發(fā)展特點。同時印度也高度重視“獨立自主”航天能力，在關(guān)鍵技術(shù)上努力實現(xiàn)進口替代，整體航天能力水平提升已初見成效，有望在商業(yè)航天領(lǐng)域具備較強競爭力。

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2 0 1 6年

第 期

1 1

總第5 9期

為衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)鋪路搭橋

—衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)投資合作工作委員會成立

小衛(wèi)星 大天地

珠海一號衛(wèi)星項目揭秘

國內(nèi)定價 20.00元

中國宇航學(xué)會衛(wèi)星應(yīng)用專業(yè)委員會

中國航天科技集團公司衛(wèi)星應(yīng)用研究院

北京空間科技信息研究所

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