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近期,随着马斯克星链计划的持续推进,全球卫星发射行业呈现井喷之势,特别是通讯小卫星的发射活动异常活跃,尤其是美国与中国的卫星行业发展迅速。
卫星是指环绕地球在空间轨道上运行的无人航天器,其中,人造卫星是目前发射数量最多、用途最广的航天器,占所有航天器发射总数的绝大部分。根据用途,人造卫星大致可分为科学卫星、技术试验卫星、应用卫星等;根据功能,其可分为观测卫星(如侦察卫星、气象卫星、地球资源卫星、海洋卫星等)、中继卫星(如广播卫星、通信卫星、跟踪和数据中继卫星等)、基准卫星(如导航卫星、测地卫星等)、轨道武器(如轨道轰炸系统、拦截卫星等);根据尺寸,按美国联邦航空管理局(FAA)的划分,卫星可分为超重卫星、大卫星、中卫星、小卫星等多种(见表1),而根据BRYCE公司的划分,其将质量等于或低于1200千克的卫星全部归为小型卫星,其中,小型卫星又可细分为迷你卫星(mini-satellite)、微卫星(micro-satellite)、纳米卫星(nano-satellite)、皮米卫星(pico-satellite) 及飞米卫星(femto-satellite)等。与大型卫星比较,小型卫星的用途和种类都较少且功能受限、寿命较短、可靠性也低,但造价低廉、发射成本显著下降,且可以一次发射多颗,因而受到商业航空界青睐。
表1 卫星分类(按尺寸)
卫星尺寸分类 | 重量(千克) | |
小型卫星 | 飞米卫星(Femto) | 0.01-0.09 |
皮米卫星(Pico) | 0.1-1 | |
纳米卫星(Nano) | 1.1-10 | |
微卫星(Micro) | 11-200 | |
迷你卫星(Mini) | 201-600 | |
小卫星(Small) | 601-1200 | |
大型卫星 | 中卫星(Medium) | 1201-2500 |
中大型卫星(Intermediate) | 2501-4200 | |
大卫星(Large) | 4201-5400 | |
重型卫星(Heavy) | 5401-7000 | |
超重型卫星(Extra Heavy) | >7001 |
资料来源:美国联邦航空局(FAA)
近年来,小卫星和微小卫星的发射数量占所有卫星的比重正逐步增加。根据BRYCE公司的报告,2023年全球共发射2860个小型卫星,数量逐年迅速上升,其中绝大多数为通信卫星(占比79%),其次是遥感卫星(占比13%),科学卫星占1%。2023年发射的小型卫星数量占所有发射的航空器数量的97%,与2022年持平;2023年轨道发射共计221次,其中有164次是用于小型卫星。同时,运营小型微型卫星的企业也有所增加,从2022年的212家增至2023年的267家,其中SpaceX公司的星链和OneWeb公司占据大比重。
此外,为提高卫星性能,新研制发射的小型卫星的质量正不断增加。例如SpaceX公司推出的星链(Starlink)卫星V2.0 mini版卫星的单星重量约800千克,是V1.0版本的3倍,其通信容量也相应地提升至上一代的4倍,进一步,SpaceX还开发了V2.0版本卫星,体积更大,据称包括中频PCS频谱天线,用于与地面手机直接通信,各代际卫星通信能力见表2;又如美国行星公司(Planet)为发展“鹈鹕”(Pelican)卫星星座,已于2023年11月成功发射Pelican-1首颗技术验证卫星,其卫星质量从上一代Skysat卫星的100~120千克提升至180千克,分辨率也相应提升至0.3米;卡佩拉公司(Capella)于2023年8月发射其第三代卫星阿卡迪亚(Acadia)卫星,质量从上一代的112千克增加至180千克,分辨率从0.5米提升至0.3米,功率提升四成。Bryce的数据显示,2023年新发射的小型卫星中,质量在601~1200千克的小卫星占到所有发射的卫星的31%,而2014年~2023年间累计发射的卫星中,小卫星数量占比仅为11%,可见在近几年来,在小型卫星中,具有较大质量的小卫星比重正在不断上升。
表2 星链不同代际卫星发射时间及性能
版本 | 发射时间 | 质量(kg) | 通信能力 | 轨道高度和倾角 |
V0.9 | 2019.05 | 227 | 不具备卫星间通信能力,采用Ku,Ka频段通信 | 550km、53° |
V1.0 | 2019.11-2021.05 | 260 | 不具备卫星间通信能力,采用Ku,Ka频段通信 | 550km、53° |
V1.5 | 2021.09-2023.07 | 295 | 具备激光通信能力,采用Ku,Ka频段通信 | 550km、53.22°;560km、97.6° |
V2.0mini | 2023.02至今 | 800 | 具备激光通信能力,回程链路增加E波段通信 | 530km、43° |
V2.0 | 待定 | 1250 | 具备激光通信能力 | 待定 |
资料来源:中科星图
3.卫星发射:美国占绝对优势,SpaceX公司发射最多
卫星的发射入轨需要火箭的支持。目前,美国主导全球航天器的发射。根据Jonathan McDowell发布的报告,2023年全球航天器发射次数共计223次,其中成功入轨的有212次。其中,美国成功发射104次位列榜首,中国排名第二成功发射66次,俄罗斯以19次位列第三,其后是印度(7次)和新西兰(6次)。2016~2023年,美国和中国的航天器发射速度大幅加快,美国从2016年的22次飙升至2023年的104次,中国也从21次提升至2023年的66次,相比之下,俄罗斯较为平稳,而欧洲地区发展缓慢,2023年仅发射3次。而在小型卫星的发射中,美国的优势更加明显。根据Bryce的报告,由美国发射的小型卫星所占的比重从2014年的50%上升至2023年的88%;其次是中国,从2014年的6%上升至7%;俄罗斯占比第三,但比重已从2014年的27%大幅下跌至2% (见图1)。