小型卫星运载火箭空中发射技术案例研究(重要收藏)

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【导读】
本文中，我们将描述从飞机上空中发射卫星运载火箭的技术现状，作为有效地将小型卫星送入地球轨道的一种方式，以满足不断增长的卫星需求。本文由所长007编译，本文摘译0.7万字，原文及完整译文已上传至文末“蓝军开源情报”知识星球，请登录下载。

关键词：运载火箭，发射技术

这是蓝军开源情报的第 171 期分享
编译 l 所长007

来源 l 蓝军开源情报（ID：Lanjunqingbao）
转载请联系授权（微信号：Lanjunqingbao2081）

一、卫星类型

卫星可以根据其用途、高度、重量等以多种方式分类。首先，根据用途，卫星可分为侦察卫星、通信卫星、导航卫星等，根据运行高度，可分为低轨卫星、中轨卫星、地球静止轨道卫星卫星等低地球轨道（LEO）是高度在160至2000公里或以下的轨道，每天绕地球运行10次以上，主要用于需要高分辨率的侦察卫星和用于互联网和通信的通信卫星。正在运营通信服务。中地球轨道（MEO）是一个高度在2,000至36,000公里之间的轨道，每天绕地球运行数次，主要由GPS等导航卫星使用。对地静止轨道（GEO）是一个高度约为36,000公里的轨道，卫星的角速度与地球的自转速度相同，对地静止卫星似乎在地面上有固定的位置，并进行通信以进行连续的服务和观测。主要使用特定区域和气象卫星。



【图1】卫星按工作高度分类



[表1]按卫星重量分类

卫星按重量可分为小型、中型和大型卫星，如[表1]所示。在韩国，重量小于500公斤的卫星大多被归类为小卫星，重量小于100公斤的卫星被称为微型卫星，这些小卫星主要用于近地轨道的侦察和通信。特别是微型卫星，它们在低空集群运行，通信延迟短，重访周期短，因此，在国防领域，它们作为一种可以大大提高监视能力的系统而受到关注。当与现有的中型侦察卫星互补运行时，就会出现这种情况。

随着卫星技术的发展，以前由中大型卫星执行的任务逐渐由小型卫星实现，对小型卫星的需求大幅增加。数据显示，2010年起的10年间，全球平均发射小卫星181颗，预计2020年起的未来10年将发射约1011颗小卫星，预计将呈爆发式增长。以韩国为例，政府计划到2031年发射110颗微型卫星，用于侦察和卫星通信网络建设，私营部门也计划到2030年发射约100颗微型卫星来提供信息服务，因此对小型卫星的需求正在大幅增加预计会的。对小型卫星日益增长的需求引发了人们对卫星运载火箭和发射方法的兴趣。

二、卫星发射方式

将卫星送入太空轨道的方法根据运载火箭的发射地点可分为地面发射、海上发射和空中发射方法。一般来说，地面发射方式最为常用，但海上发射方式的优点是通过将卫星运载火箭移动到地球自转速度最大的赤道附近进行发射，从而提高发射效率，降低碎片坠落的风险。空中发射方式是将卫星运载火箭安装在飞行器上，在大约10公里以上的高度单独发射，天气变化较小，发射区域、方向、气候、时间等限制较少。具有便于紧急发射且无需建设发射场的优点。



【图2】卫星运载火箭发射方式

目前，卫星发射方法是根据卫星和运载火箭的目的和发射条件选择性地运行。对于小型卫星，出于成本等考虑，主要通过搭载在运载火箭上发射，以发射中大型卫星作为主卫星。然而，该方法中，发射时间表和任务高度是通过优先考虑运载火箭上搭载的主卫星来确定的，这限制了小卫星在所需时间和轨道上的部署。但随着小卫星市场逐渐增大，小卫星专用运载火箭技术以及以低成本在所需时间、轨道发射的空中发射方法开始引起关注。自2012年以来，美国DARPA一直在研究利用空中发射的方式在24小时内低成本地将微型卫星送入轨道，最近Rocket Lab又开发出了一颗可以将150公斤有效载荷送入500公里轨道的小型卫星。Electron运载火箭已经研制成功并投入商业服务。SSLV（小型卫星运载火箭）是印度正在研发的一种低成本小型卫星运载火箭，因其旨在将卫星发射成本降低至现有同类系统的1/3左右而备受关注。

三、空中发射研究案例

尽管空中发射方法具有许多优点，但其可安装在飞机上的弹丸的尺寸和重量受到限制，因此主要应用于小型弹丸。在空中发射方式中，运载火箭所能搭载的卫星重量由运载火箭的规格决定，而运载火箭的规格、发射高度、速度、角度则由发射飞行器的性能决定。发射平台。因此，配置空中发射系统最重要的因素是选择适合空中发射的飞行器平台。此前主要考虑大型客机、运输机、大载重战斗机等飞机平台，但近来尝试开发空中发射专用飞机，最近还在开发专用无人机平台以确保价格竞争力。

3.1.ALASA 计划（美国 DARPA）

讽刺的是，卫星空中发射技术的开端是从反卫星导弹（ASAT：反卫星武器）开始的。1985年，美国从F-15战斗机发射ASM-135反卫星导弹，成功拦截了一颗卫星。发射时，ASM-135的总重量为1,180公斤，发射高度为11.6公里，马赫数为1.22，俯仰角为65°。由此，证实了开发卫星运载火箭空中发射方法的可能性。基于这一经验，2012年，美国高级研究计划局（DARPA）启动了ALASA（机载发射辅助太空接入）计划，可以在24小时内将一颗45公斤重的卫星送入LEO轨道，成本不到100万美元。

在这个项目中，波音公司致力于开发一种可安装在F-15上的微型卫星两级液体火箭运载火箭，但由于火箭地面燃烧过程中液体推进剂不稳定而发生爆炸，该项目于2015年中止。测试。



【图3】使用F-15（左）和卫星运载火箭概念（右）进行卫星拦截

使用战斗机作为空中发射平台，例如F-15，在发射速度高和高度特别是高度方面可以具有优势，但飞机上可挂载的卫星运载火箭的重量有限，由于战斗机必须进行改装，因此战斗机生产国以外的国家的开发可能会受到限制。

3.2.ALSET 计划（日本）

由于飞机改装问题，使用战斗机的空中发射方法的发展可能会受到限制。因此，尝试使用运输机的方法作为尽量减少飞机改装的方法。日本实施了ALSET（空中发射系统启用技术）计划，该计划涉及在C-130运输机内部的行李空间安装卫星运载火箭，并以与现有行李投放相同的方式从空中投放卫星运载火箭。



【图4】ALSET程序概念

卫星运载火箭为三级固体火箭，长11m，直径1.5m，不含卫星重约16.7吨，计划能够将超过150kg的有效载荷提升到500km的高度。空投的弹丸利用降落伞稳定自身姿态，然后进行发动机点火和发射过程。



【图5】ALSET空投测试

这种空投方法在适航认证方面具有优势，因为它最大限度地减少了对飞机的改造，并且不改变飞机的外观，但在使用降落伞投掷弹丸和稳定飞机的过程中会出现高度和速度能量的过度损失。下降后的姿态，导致过度的空中下降，从而导致发射优势降低。

3.3.诺斯罗普·格鲁曼公司（美国）

美国诺斯罗普·格鲁曼公司是第一家开发小型卫星空中发射系统并将其商业化的公司。该系统主要由 PegasusXL（三级固体火箭发射器）和 Stargazer（由 L-1011 客机改装而成的空中发射平台）组成。



【图6】卫星空中运载火箭运行概念图（诺斯罗普·格鲁曼公司）

商业服务于1990年开始，截至2019年共进行了44次发射，其中39次成功，将约90颗卫星送入轨道。卫星运载火箭与飞行器分离的高度约为12公里，速度为0.82马赫，可将450公斤的有效载荷提升到500公里的高度。



【图7】卫星运载火箭空中发射（诺斯罗普·格鲁曼公司）

3.4.维珍轨道（美国）

维珍轨道公司是一家成立于2017年的美国公司，是一家为小型卫星发射提供商业服务的公司。维珍轨道公司使用波音B-747-400的改进版作为空中发射平台，并开发了Launcher One，一种两级液体火箭，作为卫星运载火箭。以维珍轨道公司的空中发射平台B-747-400为例，其左翼内部有一个加固结构，用于运输备用发动机，进行改装的L-3补充了这一结构，以便发射器一号可以运行。。整修工程耗时九个月，耗资 400 万美元。改装后，这架飞机被命名为“宇宙女孩”。



【图8】空中发射平台B-747-400（维珍轨道）

维珍轨道公司于2020年5月进行了首次卫星运载火箭空中发射，但因故障而失败。第二次空中发射于2021年1月进行，成功将10颗小卫星送入230公里的目标轨道。此后，第三次发射取得成功，小卫星发射服务正在认真推进。已知可装载的有效载荷在230公里的高度可达500公斤。



【图9】卫星运载火箭空中发射（维珍轨道）

在韩国，大韩航空拥有的五架B-747-400飞机中就有一架具有用于运输备用发动机的结构，类似于维珍轨道的空中发射平台，因此积极利用这一结构不仅可以减少平台改造周期和成本，还可以减少平台相信可以大大减少适航审定方面的工作量和成本。

3.5.一代轨道（美国）

美国Generation Orbit公司正在开发一种用于小型卫星运载火箭的空中发射系统。选择湾流-III公务机作为空中发射平台，并正在开发液体火箭型GoLauncher作为运载火箭。GoLauncher-1是第一级运载火箭，于2017年在飞机上完成了飞行测试，目前正在开发中，以便可以部署。



【图10】卫星运载火箭空中发射（一代轨道）

3.6.米格 31（俄罗斯）

作为美国在太空领域的竞争对手的俄罗斯自 20 世纪 80 年代以来一直在米格 31 上运行 Kontakt，这是一种与美国 ASM-135 反卫星导弹概念类似的卫星拦截导弹，并于 2018 年在米格 31 上运行。米格 31 上安装了一枚据信是最新型反卫星导弹。据信该系统还可用于将小型卫星送入轨道。



【图11】俄罗斯ASAT（MiG-31）概念图

3.7.Stratolaunch 系统/维珍银河（美国）

在空中发射方法中，对现有飞行器进行改装并将其用作发射平台在成本和风险管理方面可能是有利的，但不能说是利用空中运载火箭优势的优化平台。因此，促进了针对空中发射优化的专用飞机平台的开发。

微软联合创始人保罗·艾伦创立的Stratolaunch Systems公司开发了世界上最大的飞行器Stratolaunch，可以在空中发射卫星运载火箭或航天器，解决现有地面发射方式的问题。Stratolaunch翼展117m，长73m，重227吨，于2019年成功完成首次飞行，并于2021年完成第二次测试，但在保罗·艾伦去世后，其角色改为平台。测试高超音速飞行器而不是卫星运载火箭。



【图12】空中发射专用平台（Stratolaunch Systems）

以私人太空体验旅游为目的，美国维珍银河公司正在开发空中发射系统。该系统由航天器“SpaceShipTwo（VSS Unity）”和飞行器平台“White Kight 2（VMS Eve）”组成，用于将其进行空中发射，全面商业服务的准备工作正在进行中，从2017年的首次飞行开始。2018. 上午.如有必要，这些空间技术可以立即用于卫星发射目的。



【图13】专用于空中发射的平台（维珍银河）

Aevum（美国）

空中发射方式比地面发射方式更经济的说法颇具说服力，因为可重复使用的飞机取代了消耗性运载火箭的第一级火箭，但随着 SpaceX 可重复使用火箭技术的商业化，它在发射方面正逐渐变得具有竞争力。我们正在失去它。因此，通过使用降落伞回收第一级运载火箭或使用无人驾驶飞行器代替有人驾驶飞机，正在促进空中发射方法的开发以确保竞争力。2020年12月，美国Aevum公司首次推出RAVN据称，该系统通过差异化自主技术的应用，可大幅缩短卫星发射所需时间，并将成本降低至每公斤7700美元。据分析，与现有的发射成本相比，这是非常便宜的。



【图14】专门用于空中发射的无人平台RAVN X（Aevum）



【图15】小卫星发射成本（美元/公斤）

3.8.黎明宇航（新西兰）

新西兰黎明航空航天公司提出了一种新概念，可以用无人机将卫星直接运送到太空。目前，能够将重量小于4公斤的纳米卫星送入100公里轨道的“黎明MK-II极光”无人机已经研制完成并正在进行测试。



【图16】无人航天平台“曙光Mk-II极光”（曙光宇航）

该无人机旨在进行短暂上升到太空然后自由落体的亚轨道飞行，并且还计划开发大型无人机（MK-III），以在未来将重达100公斤的卫星送入轨道。开发商Dawn Aerospace声称，该系统最多可在三天内进行五次太空飞行，并且非常经济，因为它不需要单独的运载火箭。

四、国内现状

目前，那罗航天中心是韩国唯一可以发射太空运载火箭的地方，但由于地理特征和与邻国的关系，各种轨道的卫星发射受到限制。另一方面，空中发射方式对发射区域、气候、发射方向、时间等限制较少，考虑到国内条件，不失为一种合适的选择。[图17]举例说明了从国内地缘政治角度来看，采用空中发射方式相对于地面发射方式时发射方向的优势。



【图17】国内地面与空中发射对比分析（示例）

在纳罗航天中心，发射仅限于极轨方向，因此对于需要倾斜轨道以缩短重访周期的微型卫星系统来说，由于发射后必须改变方向才能倾斜，会产生不必要的能量损失。轨道发射，而空中发射方式可以看出，可以进行倾斜角度发射。

5.1.国内研究案例

国内有关空中发射的研究主要在大学进行。2000年代初，建国大学进行了微小卫星空中发射研究，考虑使用小型微小卫星运载火箭和F-4战斗机作为发射平台。



【图18】空中运载火箭任务配置（建国大学）

2014年，釜山大学进行了利用战斗机空中发射方法的研究。运载火箭方面，比较了吸气式推进发动机和固体火箭的效率，F-15K被认为是空中发射平台。



【图19】空中运载火箭任务配置（釜山大学）

最近，包括首尔大学在内的国内大学和企业研究机构正在进行空中发射技术研究，以实现空军计划的微型卫星系统，以快速应对朝鲜半岛周边的局势，例如朝鲜的核威胁。在这项研究中，以B-747-400客机和国产战斗机KF-21等多种军用飞机为发射平台，并对空中发射技术的操作概念进行了研究。

【图20】空中运载火箭发射轨迹和任务区域（首尔大学）

5.2.注意事项

卫星发射不仅要考虑经济方面，还要考虑政治、军事和外交因素。从经济角度看，航天产业正在进入新航天时代，从政府主导的大卫星向民间主导的小卫星转变。相应地，对小型卫星及其发射的需求呈爆炸性增长，公司之间争夺主导地位的竞争也变得越来越激烈。为了支持韩国的这一举措，国家航天委员会于2019年在《第三次航天发展促进基本计划》中确认了将韩国运载火箭技术与小型运载火箭相结合的计划，并于2021年修订了《第三次航天发展促进基本计划》 （决定到2024年，由私营企业主导，研制和发射固体火箭小型运载火箭。这一决定包括终止韩美导弹指令，该指令允许在太空运载火箭和海上和空中发射中使用固体推进剂，以及利用国内通过导弹开发积累的固体火箭技术来应对小型导弹。卫星市场的需求正在迅速增长，这被认为是这样做的一个措施。特别是，固体火箭比液体火箭具有更简单的结构和发射设施，并且能够快速发射，因此对于在近地轨道运行的小型卫星具有优势。此外，政府计划在纳罗航天中心增建小型运载火箭地面发射场，以支持私营公司，但仅地面发射方法存在局限性。

从军事角度来看，朝鲜正在将其弹道导弹从固定式发射器转变为移动式发射器，以应对韩国和美国拥有的先进侦察资产和导弹防御系统，并正在被推进式导弹所取代。为了快速应对朝鲜的这些变化，我军正在抓紧建设集群式超小型侦察卫星系统，以补充正在进行的侦察卫星项目。然而，为了快速响应这些军事需求，不仅需要小型卫星，小型运载火箭的研制和基础设施建设也必须并行进行。特别是，为了应对朝鲜快速变化的核和机动弹道导弹系统，迫切需要确保随时独立发射军用卫星的技术和基础设施。

在政治和外交方面，过去美俄太空霸权的竞争是从中国凭借大胆投资迅速崛起为美国的有力竞争对手，开始对美国进行全面制衡的。。事实上，2006年发射的阿里郎卫星2号原本计划使用中国低成本运载火箭发射，但美国以《国际武器贸易条例》（ITAR）为由反对将自己的部件安装在阿里郎上卫星，所以发射地点改为俄罗斯。阿里郎5号于2013年在俄罗斯发射，原本与俄罗斯签订合同将于2011年8月发射，但俄罗斯因汇率波动要求涨价，因此发射推迟了两年，并需支付额外费用。近日，多用途实用卫星阿里郎六号和下一代中型卫星二号原定由俄罗斯运载火箭发射，但有媒体报道称，由于影响，发射实际上被取消乌克兰战争。如果我们没有自己的卫星发射技术，我们就别无选择，只能落入技术先进国家的暴政之下。在需要紧急和安全的情况下，例如军用卫星，发射可能会受到限制，因此确保独立的卫星发射能力以加强太空主权至关重要。

五、结论

世界各国争夺太空主导权的竞争正在加剧。在卫星领域，随着卫星技术的发展，小型卫星正在取代中型和大型卫星所扮演的角色，小型卫星的需求迅速增加，与之配套的运载火箭市场也越来越大。迄今为止，出于成本考虑，小卫星主要与中大型卫星运载火箭一起发射，这限制了卫星在所需时间和轨道的插入，因此开发小卫星专用运载火箭的需求不断提出。随着韩国对小型卫星的需求不断增加，不仅需要在卫星方面制定有效的措施，而且还需要从经济角度制定发射计划。卫星发射能力不仅要考虑经济方面，还要考虑政治和外交因素。过去，由于各种政治和外交问题，我们在预定时间部署卫星受到限制，因此确保独立的卫星发射能力以加强太空主权是绝对必要的。

就韩国而言，由于地缘政治限制，卫星发射受到限制，而且天气等因素使得在所需时间部署卫星非常困难。因此，在发射点和环境条件方面更加灵活的空中发射方法可以是一个很好的替代方案，需要积极审查。

目录

一、 背景

二、 卫星类型       

三、 卫星发射方式       

四、 空中发射研究案例
4.1. ALASA 计划（美国 DARPA）        4.2. ALSET 计划（日本）        4.3. 诺斯罗普·格鲁曼公司（美国）        4.4. 维珍轨道（美国）        4.5. 一代轨道（美国）        4.6. 米格 31（俄罗斯）        4.7. Stratolaunch 系统/维珍银河（美国）         4.8. 黎明宇航（新西兰）
五、 国内现状

5.1. 国内研究案例       

       5.2. 注意事项

六、 结论