时隔6年多，我国一箭发射多星的纪录终于再次被打破。2022年2月27日11时06分，长征八号（以下简称“长征八号”）遥二运载火箭成功发射，共计将22颗卫星送入预定轨道。
与2015年9月20日长征六号“一箭20星”相比，仅增加10%的运载卫星数量，似乎远远不足以让它在被俄罗斯、乌克兰消息严密塞塞的媒体平台闯出一片刷屏空间——但事实上，此次发射将对我国航天技术发展产生深远影响。
作为定位于商业应用的火箭型号，长征八号遥二火箭堪称一次大胆尝试，“一箭发射多颗轨道卫星”只是其中之一。
长征八号遥二运载火箭采用无毒无污染推进剂，整箭长约48米，芯级直径3.35米，芯级直径3.0米，起飞重量约198吨，起飞推力约240吨，可实现太阳同步轨道3吨级运载能力。图片来源：中国航天科技集团公司微博
“一枚火箭，多颗星”
1981年9月20日5时28分网校头条，“暴风一号”运载火箭从酒泉基地（酒泉卫星发射中心前身）发射升空。7分20秒后，三颗卫星（实践二号、实践二号甲、实践二号乙）逐一脱离火箭，进入预定轨道。中国由此成为继前苏联、美国、欧洲航天局之后，第四个掌握“一箭多星”发射技术的国家。
“一箭多星”即用一辆运载火箭发射多颗卫星，目前全球掌握该技术的国家有六个。在我国实现“一箭多星”27年后，印度、日本也先后发射了自己的“一箭多星”火箭。此后十年间，一次发射卫星数量的纪录不断被快速刷新。到2017年，印度一箭搭载的卫星数量已达三位数，成功实现“一箭104星”。
讲到这里，外行人或许已经醒悟了发射数量最多的一类卫星，当单枚火箭搭载的卫星数量增加到一定值时，单纯数量增加带来的变化可能只停留在量变的范畴，也就是说，发射卫星的数量并不一定与航天技术水平成正比。
目前“一箭多星”技术可分为两类：一类是将所有有效载荷发射到同一轨道；另一类是将不同的卫星发射到各自的轨道。前者是印度“一箭104星”和大部分星链卫星采用的方式，后者是长征八号遥二采用的方式。两种发射方式对应不同的运载火箭需求。
第一类发射任务是在运载火箭末级关闭后，将运载火箭搭载的卫星逐一释放，主要要考虑的问题是释放后卫星之间发生碰撞的可能性，解决这个问题并不难，就是控制释放卫星的速度或时间，让它们稍有不同即可。
至于将多颗卫星发射到不同的轨道，就没那么简单了，需要运载火箭满足前者的技术标准，还要具备进入初始轨道后变轨的能力，而这不是常规运载火箭能做到的，需要从“上车”到“下车”的完整流程解决方案。
以长八运二任务为例，首先要合理布置火箭整流罩内的卫星。长八运二任务搭载的22颗卫星分属于7个不同的卫星厂商，每颗卫星的体积、尺寸、重量差别较大。因此在布置时，首先要考虑的是如何有效利用整流罩内的空间。
图片来源：中国航天科技集团微博
结合任务需求，设计团队对传统卫星结构进行梳理，设计出全新的三层多星分配器，最终为“乘客”提供了三层“座位”。三层多星分配器自下而上由锥形支架、中心承载筒和圆盘平台组成。最终22颗卫星的布局如下：锥形支架（采用长征八号遥一火箭结构）搭载2颗卫星，中心承载筒搭载14颗卫星，圆盘平台搭载6颗卫星。
对于一些直径较大、不适合侧置安装的卫星，设计团队在中央承重筒上方设计了新的圆盘平台，使大直径卫星的安装更加简单，并避免其他卫星在分离方向干扰。
图片来源：中国运载火箭技术研究院微信公众号。
卫星终于成功安装进整流罩，接下来要解决的问题是将它们安全、准确地从飞行器上取下来，这也是设计团队遇到的最大挑战之一。
首先要考虑的是卫星近场分离的安全性。卫星与箭体分离过程中，需要考虑由于卫星解锁方式不同、分离能量不同而产生的运动偏差，有时这些微小的偏差就会缩小卫星间的距离，从而威胁箭体的安全。
根据卫星不同分离机理，设计团队对所有箭体、卫星偏差进行了多轮仿真计算，使近场分离过程中卫星间保持一定的动态间隙，保证近场分离的安全性。
“卫星数量越多，分离后在轨相撞的风险就越大，远场分离的安全性也是设计人员重点考虑的问题。”负责轨迹设计的李景林说，分离速度、分离方向、分离顺序都是影响卫星后续轨迹的关键因素。在有限的外分离轨道上错开22颗卫星，避免两颗卫星之间相互干扰，对设计人员来说是一个不小的挑战。
22颗卫星加上火箭末级发射数量最多的一类卫星，共组成23个分离体。为确保相互分离安全，设计团队要对每颗卫星轨道参数进行计算分析，对23个分离体之间的相对距离进行长期模拟观测评估，并根据卫星布局和设计分离方案，实施12次分离动作。22颗卫星依次逐颗分离，并通过不断调整末级箭体姿态来调整不同卫星的分离方向，确保每颗卫星近场和远场的安全，让22颗卫星安心“下车”。
分离动作的设计并不是一件容易的事情，23个分离体之间的相对距离分析需要进行大量的计算，在此基础上还要保证火箭在姿态调整过程中从航天基地能够看到，这就要求箭体的姿态调整角度不能太大。在多重要求的压力下，难度加大：“这是一个相当于多对象、多约束、长周期的优化问题，需要经过多轮迭代才能解决。远场分离的计算量比过去增加了好几倍。”
为此，设计团队专门开发了多卫星远场分析工具，这样“通过一次模拟，就可以自动完成23个独立体的速度、位置计算，以及彼此之间的相对位置计算，不仅大大提高了计算效率，也提高了远场分析的精度”。
最终，根据各卫星分离方式，结合任务需求等多方面因素，二级对偏航角、俯仰角做出相应调整，最终分12批将22颗卫星成功部署入轨。
“这次任务共需要分离22颗卫星，一共完成了12次分离动作，创造了中国航天的新纪录。可以说，长征八号火箭在星箭分离过程中表演了一场‘芭蕾’，而22颗卫星的最终释放，也如同‘天上落花流水’。”中国运载火箭技术研究院副总指挥段宝成总结道。
为商业化而定制
如果仔细观察，就很容易发现长征八号遥二运载火箭看上去与以往的火箭有所不同：底部助推器没有了，变成了一枚彻底“裸”着的火箭。
事实上，这款无助推器火箭是该型火箭的一种新构型。长八号副总设计师陈晓飞介绍说，与长八号一号火箭相比，长八号二号火箭在外观上最大的不同就是取消了两台助推器，由两级半构型改为两级串列构型。
左边是遥二火箭（图片来自中国航天科技集团一院，宋涛摄），右边是遥一火箭（图片来源：中国航天报）。
长征八号火箭是我国新一代主力中型运载火箭，也是我国中低轨道运载能力最强的商业火箭，于2020年12月首次飞行成功，填补了我国太阳同步轨道3至4.5吨运载能力的空白，可承担我国80%以上的中低轨道发射任务。无助推“裸杆”长征八号遥二运载火箭运载能力达3吨。
长征八号是专为满足未来发射市场需求而打造的火箭，作为定位商业应用的火箭，成本成为必须考虑的因素，长征八号遥二火箭在此基础上做了进一步的调整和尝试。
采用新构型是尝试之一。长八火箭项目办胡辉彪说，采用新构型可以“一举多得”，减少两枚助推器除了可以检验新构型的正确性、协调性和匹配性，拓展中型主火箭的市场，还可以缓解生产、总装和测试的压力，缩短研制周期，降低研制成本。
“未来人类进入太空的需求会越来越大，对空间基础设施建设的需求也会越来越大，因此改变发射场流程、缩短火箭研制周期迫在眉睫。”肖云介绍。
为此，长八遥二火箭还采用了“模块化”和“组合式”的设计思路。早在研制之初，设计人员就充分考虑了火箭无助推器状态，将其纳入了遥一火箭的考核包络线。因此，遥二火箭不需要进行大规模改动，只需要对载荷和飞行轨迹进行适应性调整。最终，长八遥二火箭从首飞成功到完成总装测试、具备出厂交付条件，只用了一年时间。
整流罩高度由8米缩短至5.4米。图片来源：中国运载火箭技术研究院。
此外，火箭整流罩高度也由8米缩短至5.4米，减轻了整枚火箭关键部件的载荷，降低了发射成本。当然，这也不完全是出于成本考虑，从技术角度来说，由于要发射的卫星体积更小，重量更轻，不需要像长八运一火箭那么大的整流罩。从气动角度来说，更短的整流罩可以减轻载荷，放宽火箭发射释放条件，提高火箭发射概率，为后续高密度发射奠定基础。
“共享”模式同样是基于成本的考虑——卫星载体的成本。此次发射的22颗卫星主要是光学遥感卫星，主要用于对地观测、低轨物联网通信、空间科学实验等，可以提供资源调查、合成孔径雷达数据支持、物联网分散终端数据采集、在轨科学试验和技术验证、海南及周边省域海域船舶信息采集处理等服务。这些卫星来自国内7家商业航天公司。当然，成本也是由7家公司分担的。
“简单来说，就是通过拼车方案，为用户提供经济实惠的发射服务，门槛大大降低。”嫦娥八号火箭总指挥肖云说。有了嫦娥八号遥二火箭的成功探索经验，火箭学院对推进共享发射常态化有了更大的信心。
目前，嫦娥八号火箭总装最快需要23天。但总装后需要从天津厂房运输到发射场，还要进行火工安装和机组测试。如果在发射场附近建一个总装测试厂房，可以将发射场测试和工厂测试合二为一，省去一系列测试、检验、运输步骤，缩短火箭在发射场的周期，满足未来市场对嫦娥八号火箭快速发射的需求。
在嫦娥八号火箭团队的努力下，位于海南的总装测试厂房已开工建设，发射站也正在论证中。建成后，嫦娥八号火箭将可以每周发射一次，预计每年将发射50次。“星海”的未来可期。
参考
中国航天科技集团公司“长征八号新配置将实施‘一箭22星’|什么是‘一箭多星’？”
中国运载火箭技术研究院《22颗星：排队坐、按序下车、准确到达目的地》
科技日报《一次发射22颗卫星！嫦娥八号创纪录！》