時隔6年多，我國“一箭多星”的發射記錄終於被再次打破——2022年2月27日11時06分，長征八號（以下簡稱“長八”）遙二運載火箭發射成功，將共計22顆衞星分別順利送入預定軌道。
與2015年9月20日長征六號的“一箭20星”相比，僅僅10%的運載衞星個數的上漲，似乎遠不足以讓它在被俄烏新聞塞得密不透風的媒體平台中，撕出刷屏的空間——但其實，這次發射將給我國航天技術發展帶來深遠影響。
作為一個定位於商業應用的火箭類型，此次的長八遙二火箭堪稱一次大膽的嘗試，“一箭發射多軌道衞星”不過是其中之一。
1981年9月20日5時28分，“風暴一號”運載火箭從酒泉基地（酒泉衞星發射中心前身）起飛。7分20秒之後，三顆衞星（實踐二號、實踐二號甲、實踐二號乙三顆科學實驗衞星）逐一與火箭分離，進入預定軌道。至此，繼前蘇聯、美國和歐洲航天局之後，中國成為第四個掌握“一箭多星”發射技術的國家。
“一箭多星”，即在一枚運載火箭上搭載多顆衞星。目前，世界上共有6個國家掌握了這項技術。在我國實現“一箭多星”27年之後，印度和日本也先後發射了自己的“多星”火箭。此後十年，一次性發射衞星數量的紀錄持續被快速刷新，到2017年，印度在一顆火箭上搭載的衞星數量已經達到了三位數，成功達成“一箭104星”。
事情進展到這裏，外行人可能也回過味來了。當單顆火箭搭載人造衞星的數量增加到某個數值，單純的數量增加導致的變化可能只會停留在量變的範疇內。也就是説，發射衞星的數量，並不一定和航天技術的高超程度成正比。
目前來看，“一箭多星”技術分為兩大類：一類是將所有載荷發射到同一條軌道；另一類是分別將不同的衞星發射到各自的軌道。前者即印度的“一箭104星”以及絕大多數星鏈衞星採用的方式，後者是長八遙二使用的方法。兩類發射，對應着不同的運載火箭要求。
第一類發射任務是在運載火箭的末子級關機後，只需要將所承載衞星依次釋放出來即可。這其中，需要考慮的主要問題是各個衞星釋放後可能出現碰撞。這個問題的解決方法並不難，即控制釋放衞星時的速度或者時間，使其稍有不同。
至於將多顆衞星發射到不同軌道，就沒那麼簡單了。它要求運載火箭在滿足前者技術水準的基礎上，還要在進入初始軌道後，依然具備變軌的能力，這就不是常規的運載火箭可以做到的了。它需要衞星從“上車”到“下車”的整套流程解決方案。
以本次的長八遙二為例，第一步是要把這些衞星合理佈局在火箭整流罩裏。長八遙二任務所搭載的22顆衞星分屬7家不同的衞星製造商，每一家的衞星體積、尺寸、重量都存在較大差異，所以佈局時，首先考慮如何有效利用整流罩內空間。
結合任務需求，設計團隊對傳統衞星結構進行梳理，設計了新的三層式多星分配器，最終為“乘客”提供了三層“座椅”。三層式多星分配器從下到上分別由錐形支架、中心承力筒和圓盤平台組成。最終，22顆衞星的佈局為：錐形支架（沿用了長八遙一火箭的結構）搭載2顆衞星，中心承力筒搭載14顆衞星，圓盤平台搭載6顆衞星。
對於一些直徑較大、不適合側掛的衞星，設計團隊則在中心承力筒上方新設計了一個圓盤平台，讓大直徑衞星安裝操作更簡潔，分離方向上也沒有其他衞星去幹涉。
衞星終於順利裝進了整流罩，之後要解決的，就是讓它們安全準確“下車”的問題，這也是設計團隊遇到的最大難題之一。
首先要考慮的是衞星近場分離安全性。衞星與箭體分離過程中，需要考慮衞星不同的解鎖方式和分離能源所帶來的運動偏差。某些時候，這些小偏差會使衞星之間距離縮小，進而威脅到箭體的安全。
根據衞星的不同分離機構，設計團隊對所有的箭體和衞星偏差進行了多輪仿真計算，讓各衞星之間保留一定的近場分離過程中的動態間隙，保證近場分離安全性。
“衞星數量越多，分離出去後在軌道飛行碰撞的風險就越大，遠場分離安全性也是設計人員需要考慮的重點。”負責彈道設計的李靜琳介紹，分離速度、分離方向、分離順序是影響衞星後續運動軌跡的關鍵因素。要在有限的外界分離軌道將22顆衞星錯開，避免兩兩衞星之間干涉，對設計人員來説是個不小的挑戰。
22顆衞星加上火箭末級就是23個分離體，為了保證彼此之間分離的安全性，設計團隊要計算分析每一個衞星運行的軌道參數，對23個分離體兩兩之間的相對距離進行長週期的仿真、觀察和考核，並根據衞星佈局和設計分離方案，採取了12次分離動作，依次將22顆衞星逐步分離出去，並通過不斷調整末級箭體的姿態，實現不同衞星的分離方向調整，確保各個衞星近遠場安全，讓22顆衞星安心“下車”。
具體到分離動作的設計，也並非易事。對23個分離體兩兩之間的相對距離分析，本身所需計算量就非常大，在此基礎上，還要維持火箭調姿過程中天基可見，這就要求箭體調姿角度不能過大。多項要求夾擊之下，難度也隨之增大：“這是一個相當於多個對象、多種約束、長週期的、需要通過多輪迭代解決的一個優化問題，遠場分離計算量比以往翻了好幾倍。”
為此，設計團隊專門研製了一個多星遠場分析工具，這樣一來，“通過一次仿真，就可以自動完成23個分離體各自的速度位置計算，以及兩兩之間相對位置的計算，不僅大幅提高了計算效率，而且提高了遠場分析的準確性。”
最終，根據每顆衞星的分離方式，結合任務需求等多種因素，二子級在偏航和俯仰角上作出相應的調整，22顆衞星分12次終於依次成功部署入軌。
“本次任務一共需完成22星分離，共計完成12次分離動作，創造了中國航天的新紀錄。可以説星箭分離中長征八號火箭宛如跳了一場‘芭蕾’，最終22顆星的釋放就如‘天女散花’一般。”中國運載火箭技術研究院長八副總指揮段保成總結道。
為商業化定製如果有心觀察，很容易發現，長八遙二運載火箭長得和以前的火箭不太一樣：底部的助推器不見了，成了一個徹底的“光桿”火箭。
事實上，這種不帶助推器的火箭正是該型號火箭的新構型。長八副主任設計師陳曉飛説，與遙一火箭相比，長八遙二火箭外形最大的區別就是取消了兩個助推器，從兩級半構型變成了兩級串聯構型。
長八火箭是我國新一代主力中型運載火箭，也是目前我國中低軌運力最強的商業火箭，於2020年12月成功首飛，填補了我國太陽同步軌道運載能力3噸至4.5噸的能力空白，可以承擔我國80%以上的中低軌發射任務。此次無助推的“光桿”型長征八號遙二運載火箭，運載能力就達到3噸
長八是瞄準未來發射市場需求而專門打造的一型火箭，作為定位於商業應用的火箭，成本就成了必須考慮的因素，長八遙二火箭在此基礎上又做了進一步調整和嘗試。
使用新構型就是嘗試之一。長八火箭項目辦胡輝彪介紹，使用新構型可以做到“一舉多得”。除了可以檢驗新構型的正確性、協調性和匹配性，開拓中型主力火箭市場之外，減少兩個助推器，還可以緩解生產、總裝和測試的壓力，讓研製週期縮短、研製成本降低。
“未來，人類進入太空的需求越來越大，空間的基礎設施建設需求越來越大，因此改變發射場流程、縮短火箭研製週期迫在眉睫。”肖耘介紹。
為此，長八遙二火箭還採用“模塊化”“組合化”設計思路。早在研製伊始，設計人員就充分兼顧了火箭不帶助推器的狀態，並納入遙一火箭的考核包絡中。因此，遙二火箭無需進行大規模更改，只需針對載荷、飛行軌道進行適應性調整。最終，自成功首飛到完成總裝總測、具備出廠條件，長八遙二火箭僅用了1年時間。
另外，火箭的整流罩高度也從8米縮短到5.4米，降低了全箭關鍵部位受載的同時，發射成本也隨之降低。當然，這並全出於成本的考慮。從技術層面出發，因為需要發射的衞星體積較小，重量也更輕，本身也不需要用長八遙一火箭那麼大的整流罩。而從氣動外形來説，短一點的整流罩可以降低載荷，放寬火箭發射放行條件，提高火箭發射概率，為後續高密度發射奠定基礎。
“共享”模式也是基於成本的考慮——衞星搭載方的成本。此次發射的22顆衞星主要為光學遙感衞星，主要用於對地觀測、低軌物聯網通訊、空間科學試驗，可提供資源調查、合成孔徑雷達數據支持、物聯網分散終端數據採集、在軌科學試驗和技術驗證、海南及環省海域船隻信息收集處理等服務。這些衞星分別來自國內7家商業航天企業。當然，費用也是7家分攤。
“簡單地説就是拼車方案，為用户提供經濟實惠的發射服務，門檻大大降低了。”長八火箭總指揮肖耘説。而有了此次長八遙二火箭的成功探索經驗，火箭院在推進共享發射常態化的信心也就更強了。
目前，長八火箭總裝最快是23天。然而，總裝後，從天津廠房運到發射場，還需要進行火工品安裝、單元測試等流程。如果在發射場旁就近建設總裝測試廠房，就可以把發射場測試和出廠測試合二為一，節省一系列測試、檢查、轉運的步驟，壓縮火箭在發射場的週期，適應未來市場對長八火箭快速發射的需求。
經過長八火箭團隊的努力，目前，海南總裝測試廠房已經開始施工建設，發射工位也正在論證過程中。一旦完成，一週就能實現一次長八火箭發射，一年預計可發射50次，“星辰大海”的未來堪稱可期。
參考資料
中國航天科技集團《長八新構型將執行“一箭22星” | “一箭多星”是怎麼回事？》
中國運載火箭技術研究院 《22顆星：排好坐，依次下，準確到達目的地》
科技日報《一箭22星！長八，創紀錄！》