9778818威尼斯官网:天下最小卫星运载火箭,行家

小火箭 小卫星 大需求 专家解读日本发射的迄今最小运载工具

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  当地时间1月15日早上8:33,几经推迟的“世界最小火箭”——日本SS-520-4号机从内之浦宇宙空间观测所发射升空,但随后失去遥测信号坠入大海,所携载荷一并损失。

日媒报道称,日本已成功发射世界最小运载火箭,箭体直径约50厘米。近年来,全球多国围绕轻型火箭展开激烈竞争(图源:VCG)据日本共同社2月3日报道,日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)3日下午从鹿儿岛内之浦宇宙空间观测所成功发射了将人造卫星送入轨道的全球最小型火箭“SS-520”五号箭。据报道,该火箭全长约10米,直径约50厘米。日媒称,此次发射是为了迎合全球对超小型卫星低成本发射的高涨需求。据悉,此次发射费用共计约5亿日元(1日元约合0.009美元),是日本H2A火箭的二十分之一左右。为了降低发射成本,除了为适应严酷的太空环境而专门设计的零件外,火箭还采用了家电上的集成电路及线缆等民生用品。

日本成功发射全球最细小衞星运载火箭,火箭全长只是约10米,直径约50厘米。  宇宙航空研究开发机构(JAXA)周六下午2点左右,在鹿儿岛肝付町的内之浦宇宙空间观测所,成功发射可将人造衞星送入轨道的"SS-520"火箭,而在7分半钟后,火箭亦成功将搭载的衞星送入预定轨道。  JAXA表示"SS-520"除用上专为太空环境而设计的零件外,亦采用了用于家电的电路板及电线等民生用品,有效降低造价,亦可更易满足全球日益增加的发射超小型衞星需求。"SS-520"的发射费用共计约5亿日圆(约3,550万港元),是日本此前常用的H2A运载火箭的二十分之一左右。  去年1月JAXA亦曾试射"SS-520",然而在飞行过程中因电线短路问题,令火箭与无法向地面传送数据,试射以失败告终。

据日本宇宙航空研究开发机构官网2月6日消息,该机构3日下午从鹿儿岛县的内之浦宇宙空间观测站,发射了迄今全球最小型运载火箭“SS-520”5号机,约7分半钟后,该火箭上搭载的皮纳卫星TRICOM-1R分离并进入预定轨道。

图为外媒报道的日本研制的全球最小运载火箭“SS-520“5号机及发射画面。(拖拽图片或右键“在新标签页中打开”可查看大图)

  在2016年年末到2017年年初的航天发射高峰期,这次失利原本算不上什么——毕竟航天发射充满了风险与不确定性,出现问题也属于正常,不过这次发射的噱头在于火箭的体量在目前应用的航天发射载具中是最小的,这也自然引起了国内外媒体的关注。那么笔者就以公开资料为基础,带大家看看这个“世界最小火箭”到底有什么名堂。

中国航天科工二院研究员杨宇光博士在接受科技日报记者采访时说:“全球对皮纳卫星的需求比较旺盛,微小型火箭可以专门针对这种卫星,将其适时发射到满足要求的轨道,而且这类小型运载工具总成本相对较低,因此应用前景广阔。”

据日本宇宙航空研究开发机构官网2月6日消息,该机构3日下午从鹿儿岛县的内之浦宇宙空间观测站,发射了迄今全球最小型运载火箭“SS-520”5号机,约7分半钟后,该火箭上搭载的皮纳卫星TRICOM-1R分离并进入预定轨道。

9778818威尼斯官网 2 探空火箭转行发射卫星

据日本《每日新闻》2月3日报道,“SS-520”5号机仅电线杆大小,全长9.5米,直径52厘米,重2.6吨,是目前可以进入卫星轨道的世界最小型运载火箭。其原定于去年12月发射,后由于机械故障推迟。

皮纳卫星是指质量为千克级、以微机电系统技术为基础的小卫星。其中纳卫星一般指质量在10千克以下的小卫星,皮卫星一般是指1千克以下的小卫星。相比大卫星,成本低廉、制造和发射周期短、应急反应快是皮纳卫星的最大优势。中国航天科工二院研究员杨宇光博士在接受科技日报记者采访时说:“全球对皮纳卫星的需求比较旺盛,微小型火箭可以专门针对这种卫星,将其适时发射到满足要求的轨道,而且这类小型运载工具总成本相对较低,因此应用前景广阔。”

  这次发射的火箭SS-520四号机是从日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)研发的系列探空火箭发展而来,同系列型号还有S-160、S-210、S-310和S-520。日本探空火箭的命名规则很直接,“S”的数量代表火箭的级数(Stage),后面的数字是火箭的直径(毫米),SS-520的意思就是两级式520mm直径探空火箭,全长9.65米,发射重量2.6吨,能把140千克的载荷送到距地面800千米的高度。

这并非JAXA首次发射此类火箭。JAXA曾于去年1月发射了载有卫星的“SS-520”4号机,但4号机在飞行过程中因机体电线短路而无法向地面传送数据,导致发射失败。为避免再出问题,研发人员对40多个组件进行了改进。

■改进升级 物美价廉

9778818威尼斯官网 3S-310和S-520探空火箭准备发射

据悉,机体除了为适应严酷的太空环境而专门设计的零件外,还采用了用于家电的集成电路及线缆等民用零件,因此降低了总体成本。“SS-520”5号机的发射及相关费用共计约5亿日元(约合2860万元人民币),是H2A火箭的1/20。H2A是日本三菱重工为JAXA开发的火箭,用于将卫星送入地球静止轨道,“拂晓”号金星探测器就是H2A火箭送入行星际空间的。

据日本《每日新闻》2月3日报道,“SS-520”5号机仅电线杆大小,全长9.5米,直径52厘米,重2.6吨,是目前可以进入卫星轨道的世界最小型运载火箭。其原定于去年12月发射,后由于机械故障推迟。这并非JAXA首次发射此类火箭。JAXA曾于去年1月发射了载有卫星的“SS-520”4号机,但4号机在飞行过程中因机体电线短路而无法向地面传送数据,导致发射失败。为避免再出问题,研发人员对40多个组件进行了改进。

  应当注意的是,基本型的SS-520并不能将载荷送入轨道,800千米只不过是抛物线最高点,与人造卫星入轨的要求相距甚远。不过日本人对于把S系列探空火箭改装成能够发射小卫星的运载火箭,显示出了独特的兴趣——早在上世纪90年代,在只有S-520的时候,JAXA的科学家已经开始规划两级式的SS-520,并论证给SS-520增加第三级以发射低轨道卫星的可行性。

杨宇光解释说:“随着电子元器件朝着微型化方向发展,完成同样功能的卫星越做越小,因此小卫星乃至微卫星、纳卫星和皮卫星发展也很快,广泛应用于科研、技术试验、商业遥感等领域。比如,此次5号机上搭载的皮纳卫星重约3千克,主要用于地球影像拍摄和数据通信。”

据悉,机体除了为适应严酷的太空环境而专门设计的零件外,还采用了用于家电的集成电路及线缆等民用零件,因此降低了总体成本。“SS-520”5号机的发射及相关费用共计约5亿日元,是H2A火箭的1/20。H2A是日本三菱重工为JAXA开发的火箭,用于将卫星送入地球静止轨道,“拂晓”号金星探测器就是H2A火箭送入行星际空间的。

  在这次发射之前,SS-520只进行了两次成功的亚轨道发射:第一次于1998年2月5日在日本内之浦,以验证用于卫星发射的姿态控制装置;第二次于2000年12月4日在挪威斯瓦尔巴群岛,进行地磁场相关科学实验。时隔16年,“半路出家”的SS-520四号机终于开始尝试真正意义上的轨道发射,但却遭遇了失败。

日本共同社也在4日的报道中指出,目前世界各地有意发射多颗皮纳卫星,需要有将它们送入太空的手段。

■优势明显 需求高涨

9778818威尼斯官网 4 S系列探空火箭原本的弹道——高空科学实验

对此,杨宇光表示,迄今为止,皮纳卫星主要采用搭载方式升空,由于每颗卫星对轨道及入轨时机要求都不同,而皮纳卫星乘搭的火箭主要照顾主载荷对轨道的要求,难以兼顾搭载卫星,因此,皮纳卫星存在无法自由决定发射时机的问题。

杨宇光解释说:“随着电子元器件朝着微型化方向发展,完成同样功能的卫星越做越小,因此小卫星乃至微卫星、纳卫星和皮卫星发展也很快,广泛应用于科研、技术试验、商业遥感等领域。比如,此次5号机上搭载的皮纳卫星重约3千克,主要用于地球影像拍摄和数据通信。”

  “非典型”日货

杨宇光说:“微小型火箭可以专门针对皮纳卫星的要求,将其适时发射到满足其要求的轨道,虽然运载系数(即有效载荷与火箭起飞重量之比,反映了运载火箭的效率,一般火箭越大,运载系数越高,微小型火箭很难做到百分之一以上)并不高,但在特定的情况下有可能更合适。因此,人们对小型火箭的期待高涨。”

  从探空火箭到运载火箭,SS-520都进行了哪些改进呢?我们不妨从SS-520四号机的资料开始探究。

这次也并非小型火箭的“首秀”。据悉,今年1月21日,美国初创企业“火箭实验室”公司在新西兰成功发射了一枚搭载3颗超小型卫星的小型火箭,并将卫星送入预定轨道。这枚“电子”火箭长17米、直径1.2米,重10.5吨,最高载荷为225公斤,比太空探索技术公司载荷高达20多吨的“猎鹰9”号火箭小得多。

9778818威尼斯官网 5 SS-520-4结构图

与埃隆:马斯克创立的SpaceX公司和亚马逊公司CEO杰夫:贝索斯创立的“蓝色起源”公司相似,“火箭实验室”也希望能降低人类进入太空的成本。但不同的是,SpaceX和“蓝色起源”等公司主要研发可重复使用的大型火箭;而“火箭实验室”主要发展小型火箭,旨在满足客户发射小型卫星的需求。

  SS-520-4充分利用SS-520已有的部件,包括尾翼、一级火箭、二级火箭和头锥;新研发了第三级火箭、二三级连接段还有三级与卫星连接段;为了适应轨道发射,对一二级连接段以及喷气控制机构进行了改进。这样,SS-520-4基本具备了运载火箭的特征,可以进行卫星发射了。

日本共同社在4日的报道中指出,日本此次成功发射将有助于民间火箭的开发。由于“SS-520”系列火箭属于试验机型,这将是它最后一次用于卫星发射。参与研发的佳能电子等4家公司于去年8月组建了继续研发小型火箭的新公司,今后将主要由民间力量承担这一工作。此外,在日本,由投资人堀江贵文出资的火箭制造商星际科技有限公司,也计划在今年春天将日本首枚民间小型火箭送入太空。

  不过,之所以说它只是有运载火箭的“特征”,是因为和真正的运载火箭设计的飞行器相比,SS-520-4实在是过于简陋,从该机的发射时许上就能够看出端倪:

当然,杨宇光最后也指出:“超小型火箭目前还存在运载系数低、相对成本高等不足,而且,皮纳卫星的发射服务市场还不是很大,相对来说比较小众。但这种火箭未来还是有其发展空间,具体能达到什么规模还很难预测,主要取决于皮纳卫星的发展程度。”

9778818威尼斯官网 6  SS-520-4飞行时序

(科技日报北京2月6日电)

  拜探空火箭的底子所赐,SS-520-4起飞后迅猛加速,31.7秒时一级火箭就已经燃烧完毕,火箭达到26千米高度,速度每秒2千米。这时,一般的运载火箭会进行一二级分离,二级点火继续飞行,以获得更大的速度增量。但是SS-520-4却要带着成为死重的一级继续无动力飞行34.3秒,白白浪费宝贵的速度。

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9778818威尼斯官网:天下最小卫星运载火箭,行家解读东瀛发射的由来最小运载工具。  这一方面是因为,一级火箭工作时间短,如果烧完就抛弃的话,一级落区会处于近海,对船舶航行和渔业造成很大干扰;而另一方面,SS-520-4的控制方式简陋——火箭的飞行稳定完全依靠一级尾翼产生的自旋维持,过早抛弃一级也有可能导致火箭在相对稠密的大气层区间内逐渐失去稳定性,导致失败。

  观看过我国长征系列火箭发射的朋友肯定会记得,火箭点火起飞后的第一个动作就是“程序转弯”,因为发射时火箭是垂直于地面的,最终入轨时速度方向与地面几乎平行,火箭必须在飞行中不断调整姿态,飞出一条曲线平滑地把载荷送入轨道。不过从SS-520-4的发射实况来看,火箭是从小角度倾斜的挂架上直接起飞,直线上升,并没有程序转弯——因为SS-520的固体发动机是无控的,不能进行矢量控制。

  当然,SS-520-4并非没有主动控制机构,在一级和二级火箭之间,安装有对自旋稳定的箭体进行姿态调整的简易控制装置。上面我们说过,由于一级火箭的工作时间过短,一级关机时高度太低,根本无法形成入轨条件,必须等到高度和速度都相对合适的时候才能令二级点火。同时,还要把近乎垂直姿态的箭体调整到一个“躺倒”的角度上,否则二级的喷气方向不对,还是会失败。

  主动控制机构是典型的单组元冷气姿态控制系统,以5.7升23兆帕的高压氮气作为工质,在头锥和一级火箭相继分离后按照既定时序开始工作,预计工作时间29秒,在二级火箭点火判定前分离——受火箭性能限制,控制机构不能入轨,二级点火以后的动作中,火箭完全没有主动姿态控制能力,只靠一级尾翼产生的自旋角动量维持稳定。

9778818威尼斯官网 7 SS-520-4仅有的主动控制机构

  笔者简单翻译了SS-520-4的二级点火判定逻辑图,SS-520-4的二级点火是通过遥测数据由地面发送指令的,通过对五个关键数据的判定,决定是否启动二级发动机继续入轨。不巧的是,这次发射中,遥测数据在起飞后20秒就丢失了,地面控制中心无法得知火箭的准确状态,二级点火判定自然无法进行,发射也就失败了。

9778818威尼斯官网 8  二级点火判定逻辑图

  审视顶着“世界最小运载火箭”名头的SS-520-4,我们不难发现,这型火箭并没有传统日本产品“技术先进”“细节出色”的感觉,反而是能省则省,只具备轨道发射的基本条件,正常运载火箭的关键节点冗余备份基本没有,单点故障极多,这也必然导致发射成功率大幅降低。

  低成本下的质次价高

  如果一切顺利的话,经过二级三级的助推,SS-520四号机搭载的TRICOM-1立方星还是可以进入轨道,成为真正的人造卫星的。不过我们要注意的是,TRICOM-1的预定轨道是近地点180千米,远地点1500千米,倾角31°的椭圆轨道。由于近地点过低,轨道阻力大,根据笔者用STK软件模拟,发射成功的TRICOM-1也会在四个月左右的时间陨落——尽管对于一颗预计寿命只有30天的立方星来说这不算是个缺点,但是这种轨道远不如圆轨道实用,对于卫星的实际应用和测控都有很大阻碍。

9778818威尼斯官网 9  STK初步模拟的TRICOM-1再入轨道

  不过就SS-520-4火箭而言,打出这种轨道并非刻意为之,实在是打不了圆轨道——对于这种基本无控的小火箭而言,能入轨已经是胜利,还能要求更多吗?

  纵观SS-520系列的技术特点,我们不难发现:在这型小火箭上,处处体现着“因陋就简”的思想,最大程度利用既有技术,甚至不惜削足适履,把本该具有的控制设备和冗余备份全部剔除,以期获得低廉的发射成本和快速响应的发射能力。

  然而偏偏事与愿违,根据外媒报道,SS-520-4的发射成本在400万美元左右,由于载荷只有一颗立方星,如果这是一次商业发射的话,为了不赔本,卫星使用方付出的发射费用应当高于400万美元。而在国际市场上,同等规格的3U立方星,发射报价一般在30万美元左右,这使得SS-520改装的运载火箭基本不存在竞争力。

  也许随着未来发射次数的提高,单发成本能够降下来,但是考虑到这种小火箭的可靠性从设计上就很差,卫星使用方面临的风险与保险压力都会很大。更不用说正常运载火箭的搭载服务一般是把立方星送入圆形的太阳同步轨道,除了圆轨道对卫星载荷、通信和测控的优势外,光照条件的一致性也会一定程度简化卫星设计,延长卫星寿命,客户似乎更没有理由把自己的小卫星交给日本的小火箭来发射。因此,给SS-520-4一个“质次价高”的考语是没有错的。

9778818威尼斯官网 10  TRICOM-1立方星,类似3U立方星的搭载发射方案已经成熟

  当然,尽管从总体设计层面上,SS-520系列并不能被视为成功的运载火箭,但类似SS-520的设计思路也并不罕见:据笔者了解,国内某明星火箭少年的“中国SpaceX公司”就是准备从探空火箭搞起,以探空火箭技术发展小型运载火箭。对此,笔者到也希望国内草根民营火箭的创业者们,关注一下日本的这枚“世界最小运载火箭”,吸取前人失败的教训,切勿重蹈覆辙。

  最后,有必要纠正一下一些朋友的误解,SS-520-4并不是“有史以来最小运载火箭”,而是“目前还在发展的运载火箭中最小的”,历史上最小的、有轨道发射能力的载具是美国海军在上世纪50年代研发的空射反卫星武器NOTS-EV-1,这是一种5级火箭,曾进行过4次地面亚轨道测试和6次空射测试,全部以失败告终。

9778818威尼斯官网 11  NOTS-EV-1反卫星武器

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