【观点】小卫星发射的费效比
本文刊发于2015年12月刊《卫星与网络》杂志的“本期视点”栏目
小卫星以其物美价廉的特点，随着技术的进步得到了空前的大发展，但在小卫星产业蓬勃发展的乐章中，却有着不和谐的音符，那就是小卫星的发射问题。航天发射的报价一向居高不下，小型运载火箭的单位质量发射价格更是偏高，而微电子和微机电技术的进步浪潮下，小卫星研制生产成本却越来越低，这让运载火箭和小卫星在成本上的矛盾日益突出。
高低分明
航天产业一向具有高投入和高风险等特点，传统的大型卫星和火箭价格都十分昂贵，发射成本在整个任务成本中所占的比例不算太大，一般要远小于卫星的研制制造成本。以典型的通信卫星为例，发射费用一般仅为数千万到一亿美元，而卫星制造成本一般在两亿美元以上，很多特殊卫星尤其是军用卫星，采购价格动辄超过十亿美元。从这个角度说，传统航天领域，运载火箭高昂的发射费用并不是太大的问题，而运载火箭价格也一直保持着高高在上的水平。即使是号称廉价的太空探索技术公司，它们的猎鹰九号火箭发射报价也已经提高到6120万美元，而该公司最初的目标价格也有3000万美元。不过随着物美价廉的小卫星的空前发展，情况有了巨大的变化。
现代小卫星尤其是100千克级别甚至更小的卫星，是未来全球遥感星座系统和中低轨道通信星座系统的主体，与动辄上亿甚至十亿美元的大型卫星不同，现代小卫星十分便宜。天体成像的SkyBox卫星据称成本小于500万美元，而轨道通讯公司的小卫星同样比较便宜。我国通信卫星技术和国际先进水平有一定差距，但国内的信威公司抢在美欧公司之前，2014年就发射了自己的低轨道灵巧通信试验卫星，并计划在2019年左右建立一个数十颗卫星组成的低轨道全球通信卫星星座。，天体成像、轨道通讯和信维通信公司的的全球星座卫星数量也不多，分别只有24颗、18颗和32颗，传统发射手段费用较高但仍然可以接受。不过随着格雷格·惠勒提出、维珍老板布兰森和高通公司参与投资的OneWeb星座方案的提出，传统发射方式不仅心有余而力不足，而且非常成本也成为最突出的矛盾。OneWeb方案第一代有900颗卫星，计划到第二代增加到2400颗卫星。至于太空探索技术公司推出、google等公司投资的低轨道全球Ka/Ku波段通信卫星卫星网络，将包含4025颗卫星。
如果说信威公司32颗卫星组成的通信星座还可以用传统火箭对付的话，OneWeb方案以及规模更大的太空探索技术公司方案，传统运载火箭就显得太过昂贵了。OneWeb方案计划投资上限30亿美元，最初曾计划使用21枚联盟火箭，每枚联盟火箭携带多星分配器，发射总计648颗卫星。目前阿里安宇航公司的联盟火箭发射成本已经提高到7000万欧元（7910万美元），即使未来联盟火箭不继续涨价，21枚联盟火箭的发射成本就高达16.6亿美元，远远超过了整个OneWeb低轨道通信星座其他部分的全部投资。至于太空探索公司方案的4025颗卫星，如果用传统运载火箭发射成本就更是一个天文数字。毫无疑问，昂贵的发射费用已经成为小卫星产业发展的障碍。
效能不佳
商业公司和投资者涌向小卫星产业，有利可图是最根本的原因。如果仅仅是发射费用过于昂贵，这些商业公司可能并不是太在乎，OneWeb低轨道通信星座系统不就曾计划使用昂贵的联盟火箭发射么？至于铱星二代、轨道通讯二代和天体成像公司的卫星星座，由于全球星座数量较少，星座的组网发射更容易用传统小型运载火箭或是大中型运载火箭的搭载发射来解决，当然也会为此付出一定的经济代价。
遗憾的是，小卫星的应用不仅在于商业遥感和通信星座，它还在科研和军事等领域倍受青睐，同样得到了迅猛的发展。尤其是军用领域，对小卫星发射组网和补网的时效性要求很高，这对小卫星的发射提出了更多的要求，是传统运载火箭难以满足的，即使是目前广泛应用的小型运载火箭如米诺陶，也有发射准备时间太长和发射费用过高的缺陷。小卫星还在科研领域和技术试验方面应用广泛，科研试验用的小卫星的发射量未必很大，但发射轨道很多都有特定的要求，大中型火箭搭载发射很难满足它们的需求，而是用联盟这样的中型火箭加多星分配器发射，虽然可以满足发射需求，但杀鸡用牛刀带来的高昂成本，却是相关公司和机构难以承担的。
简而言之，现有的小卫星发射方式在费用、灵活性和时效性上都存在不小的问题，如果说大型卫星的发射上费效比还可以接受的话，目前小型火箭发射或是大中型一次性火箭搭载发射小卫星的方式，费效比问题尤其突出，现有运载火箭难以满足现代小卫星产业发展的需求，需要研制新的运载火箭或发射方式解决小卫星产业发展的短板。
拦路虎
小卫星产业发展的浪潮中，小卫星发射领域存在发射费效比低和发射能力不足的障碍，已经成了小卫星产业发展的障碍。小卫星相对于大卫星，在同等技术水平下必然功能较弱，如果是微卫星、纳卫星级别，由于重量太小寿命也要短得多。小卫星的优势，主要在于研制生产成本低，便于试验或组网工作，此外小卫星发射检测和准备时间短，也有利于实现作战响应空间。小卫星拥有的这些固有优势，由于现有运载火箭能力的不足，实际上受到了削弱。
很多小型试验卫星为了降低发射成本只能搭载发射，但搭载发射方式在时间和轨道的灵活性上都很差。以印度PSLV-C9发射制图卫星-2A的搭载发射为例，这次一箭十星的发射中，9颗微纳卫星的轨道与制图卫星-2A相差不大，而制图卫星-2A是典型的太阳同步轨道卫星，运行在高度630千米、倾角97.4度的圆轨道上，如果加拿大、丹麦、德国、日本和荷兰的这些纳卫星对轨道有一定的要求，就只能望而却步了。有些试验卫星甚至是搭载在货运飞船内，运往国际空间站并释放的，卫星的轨道更是受到国际空间站轨道的限制。搭载发射方式的局限性，也是欧盟的QB-50立方体卫星计划特意订购了一枚运载火箭进行发射的根本原因；对于组网工作的卫星而言，一般使用中小型运载火箭加多星分配器发射入轨，但现有的中小型运载火箭普遍价格偏高，以美国的米诺陶四号小型固体火箭为例，它的发射报价已经提高到5000万美元，这让财大气粗的美国空军都不堪重负。小卫星发挥组网工作的优势在运载火箭价格过于昂贵的前提下很难发挥出来，既然宇宙神五号等火箭报价只有一亿多美元，猎鹰九号等中型火箭报价更是只有6000多万美元，那么发射功能完善性能强大寿命更长的大型卫星，很多时候反而是更合理的选择；美国军方的作战响应空间（ORS）计划中完全以小卫星和微纳卫星为核心建立快速响应能力，计划做到大批量生产小卫星，针对地面的侦察和通讯需求快速发射小卫星组网提供服务，在太空战中快速发射小卫星补网。作战响应空间计划看到了小卫星具有研制周期短、研制成本低和便于大批量标准化生产的特点，意图以小卫星满足未来军事航天对卫星网络灵活性、健壮性和安全性的需求。但从目前的发展看，作战响应空间计划并不是太成功，其中一个重要原因就是还没有合适的运载火箭。美国空军曾使用米诺陶一号火箭发射ORS-1卫星，但米诺陶一号火箭价格昂贵，发射准备时间长，无法满足美国空军作战响应空间计划对运载火箭的需求，只能作为临时性的过渡手段，在作战响应空间系统的开发阶段发射ORS-1、ORS-2以及TacSat等小型卫星。
总而言之，小卫星发射领域在费用、费效比和性能上的缺陷，降低了小卫星天然的成本优势和性能优势，已经成为小卫星产业进一步加速发展的拦路虎。以美国为首，众多国家都在研制新型运载火箭甚至可重复使用的运载工具，以其满足小卫星产业发展的发射需求。
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