最近，各国火箭发射频繁出现一箭多星的情况，那么一箭多星发射有什么好处？需要克服哪些技术挑战？未来，一箭多星又会应用哪些新技术来改进提升呢？
降低成本 加快组网
所谓“一箭多星”，是用一枚运载火箭将两颗以上的卫星发射至预定轨道。这其实是“军转民”的成果，源于弹道导弹的多弹头技术，是美国在20世纪50年代末为突破苏联反导防御系统、提高弹道导弹突防能力而首先提出的。
(资料图片仅供参考)
1960年，美国首次用一枚火箭发射了两颗卫星，次年又成功发射了“一箭三星”。随后，世界主要航天国家和组织相继在这个领域取得突破，目前美国、俄罗斯、欧空局、中国、印度和日本均具备一箭多星发射能力。
近年来，大量发射中小型卫星、组建全球通信与导航网络系统的需求不断增加，星座组网规模不断扩大，使得一箭多星发射越来越频繁，单次卫星发射数量也不断创新高。2021年美国SpaceX公司利用猎鹰9火箭成功发射了“一箭143星”，刷新了世界纪录。
堆叠式平板型卫星分离部署示意图
那么一箭多星发射有哪些好处？
一方面，它可以充分发挥火箭的运载能力，降低卫星发射成本。传统火箭采用一箭一星的发射方式，由于卫星设计质量不可能与火箭运力完全一致，不可避免地造成火箭运载能力浪费。
一箭多星模式可以根据火箭运力来合理选择搭载对象，增加卫星发射机会，降低单颗卫星的平均发射成本。尤其是微小卫星和微纳卫星，通常不可能作为单独发射的主载荷，只能作为其他发射任务的搭载载荷入轨，一箭多星发射显然为诸多小卫星提供了“太空拼车”的机会。
另一方面，一箭多星发射可以加快星座构建速度。对于由多颗卫星组成的星座来说，如果采用常规的一箭一星发射模式，可能需要很长时间才能完成整体组网，难以及时充分发挥效能。尤其是近年来多方提出了拥有成千上万颗卫星的巨型星座建设规划，对组网时间、综合效益更加看重。而采用一箭多星发射方式，小型星座通过一次或者几次发射就能完成整体组网，效益显著提升，巨型星座则能大幅缩短组网时间，更使得建设上万颗卫星的超大规模星座成为可能。
多星部署 难度不小
依据部署方式不同，一箭多星发射可分为两大类：一类是将所有载荷发射到同一轨道；另一类是分别将不同的卫星发射到各自的轨道或同一轨道面不同相位处。
显然，第一类任务对于轨道高度及轨道相位的精确性要求不高，火箭末级在特定的轨道上将卫星一次或逐次放出即可。关键是要避免各个载荷释放后出现碰撞。这就需要设计合理的分离策略，让每颗卫星的分离时间和分离速度各不相同，从而使卫星们逐渐安全地“飘远”。2017年印度火箭实现了“一箭104星”发射，就属于这种情况。
第二类任务对于轨道高度或者轨道相位有较高的要求。在这种情况下执行一箭多星发射任务，运载火箭必须配备先进的上面级，通过上面级多次点火、起动，机动至不同轨道高度处或者同一轨道面不同相位处，完成卫星分离及轨道部署，以满足不同卫星入轨的高度或相位要求。
一般来说，采用上面级进行多星发射及轨道部署，能够充分利用上面级的较强机动性，减少多星部署时间，降低了对卫星自身机动性的要求。但相比传统的火箭末级，上面级需要具备多次起动、长时间在轨性能，研制团队需掌握一定技术能力。
此外，一箭多星发射及部署成功，少不了卫星分配器的功劳，其设计也是关键因素。所谓“卫星分配器”，主要用于提供卫星在火箭整流罩内的安装布局位置，形象地说，就是向卫星提供“座椅”。
当规模相当的多颗卫星发射时，如导航卫星、通信卫星等，每颗卫星的质量、尺寸基本相同，可将多颗卫星分别悬挂在一个大圆筒的圆周侧壁上，这称作中心承力筒式卫星分配器，也可以放置在一个大圆盘上，即圆盘式卫星分配器。
当多颗质量、尺寸差异较大的卫星搭载发射时，往往有一颗是主任务卫星，其余多颗是小型搭载卫星。主任务卫星一般位于卫星分配器顶端，小型搭载卫星在卫星分配器的侧壁或
下方四周。
研制团队需要根据多颗卫星的布局来设计合理的分离方案，按照预定分离时序准时解锁，使得卫星一颗接一颗被分离弹簧推离火箭末级或者上面级，实现安全“下车”。
此外，一箭多星发射还有其他实现方式，比如可以用飞船将微小卫星运送至空间站，在空间站上释放部署多颗卫星。国际空间站上安装有专门的小卫星释放装置，可以将卫星向国际空间站运行的反方向“弹出”进行释放。航天员也可以在太空行走时徒手释放微纳卫星。
堆叠发射 未来方向
近年来，美国SpaceX公司为了部署由上万颗卫星组成的星链星座，创新设计了新的一箭多星发射模式——堆叠式卫星发射。
由于星链卫星采用统一的标准化平板型结构，只需利用承力支柱接口进行堆叠式安装连接，众多卫星就像薯片一样紧紧地叠放在一起。
另外，星链卫星采用了不同寻常的分离方式，即通过缓慢旋转火箭末级，使得一整堆“打包”的星链卫星以一定的转动角速度逐渐脱离火箭末级，抛撒到空间轨道上。因为这些卫星本是堆叠状态，释放前角速度相同，但旋转半径不同，导致在分离释放时每颗卫星都有微小的速度差，上方的卫星初始速度快，下方的卫星初始速度慢。随着时间推移，这些卫星就会拉开距离，像是在桌上将一副扑克牌摊开。
这种堆叠式卫星发射方式是一箭多星技术发展的重大突破，不需要单独为每颗卫星配置卫星分配器，从而节约了载荷质量，还能更加充分地利用运载火箭整流罩内部空间，提高了发射效率。随着低轨通信、遥感星座任务需求不断增长，相信堆叠式卫星发射将是未来一箭多星技术的重要发展方向。（作者：张柳 把关专家：中国航天科技集团科技委副主任 江帆）
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