第1章 绪论
1.1 引言
一体化飞行器是一种能够实现多功能集成和高效快速响应的航天器，专为灾害应急响应设计。其核心特性包括快速发射和任务多样性，能够在紧急情况下迅速部署并执行任务，及时提供关键数据支持。与传统的星箭*立设计和星载平台化设计相比，一体化飞行器实现了火箭、卫星与载荷的一体化设计，由多级固体动力系统和自主入轨航天器系统构成。该设计能够显著提升入轨有效荷载比，利用大推力发动机，具备轨道强机动及快速部署能力，且一体化飞行器成本低，可长期储存，该设计大幅提高了一体化飞行器的空间快速响应能力。
一体化飞行器的高载质比、高荷载比和高动态重构能力，使其能够适应通信、导航、遥感等多种任务，并具备快速响应能力，通过单机共用、软件重构等手段完成火箭、卫星、载荷可共用模块的综合集成与一体化设计。入轨航天器系统作为核心，通过一体化功能集成，仅用一套系统即可在不同阶段分别实现运载、卫星和载荷管理功能。
固体动力系统通过优化组合多级固体发动机，形成适应不同任务需求的动力型谱。高荷载比的一体化飞行器突破了传统设计模式，打破了火箭、卫星和载荷之间的界限，进行了面向功能的集成化设计、面向结构的模块化设计和面向任务的柔性化设计，形成了新型航天器系统综合优化的设计思路。结合复杂系统功能分析行为聚类公理化设计理论和MBSE方法，从顶层任务需求出发，逐级进行系统功能、行为、动作分析及优化，规范化映射得到一体化物理域部件，实现功能集成化、结构模块化、接口通用化和任务多样化。
1.2 一体化飞行器发展现状
1.2.1 星箭一体化飞行器
星箭一体化技术是一种将卫星和运载火箭进行一体化设计的技术。该技术的目标是通过提高火箭和卫星之间的耦合程度，来提高整个航天系统的性能和可靠性，并降低成本。星箭一体化技术打破了传统火箭与卫星系统界面之间的关系，通过加强两系统之间的技术耦合度，以及共用动力、结构、控制、测量等系统，将运载火箭末级整体送入预定轨道并长期在轨工作实现卫星功能，大幅提高了有效载荷利用率，拓展了应用空间。
1.“快舟”系列
2013年9月25日，“快舟一号”卫星发射升空，创造了我国航天发射和航天应用的*快纪录，标志着我国的运载火箭具备了空间快速响应发射能力[1]。
“快舟一号”是航天科工火箭技术有限公司与哈尔滨工业大学卫星技术研究所合作研制出的一种小型固体运载火箭。这款火箭采用了国际*创的星箭一体化技术，同时在国内*次采用栅格舵控制技术，在出厂时就是卫星-运载火箭-发射筒-发射车的组合体，因此一旦发生自然灾害，能够机动到达预定发射阵地，快速发射入轨，并立即开始执行任务。相较以前的火箭和卫星，不再需要进行星箭对接试验，从而大大缩短了发射准备时间。常规发射通常需要6～9个月的准备时间，而“快舟一号”则能在几小时到几天时间内完成发射[2]，初步形成了空间快速响应能力。
2015年，随着小卫星发射服务市场的日渐兴起，中国航天科工集团有限公司启动了“快舟一号”星箭一体化运载器的通用化改型工作，通过去除卫星在轨部件并扩大整流罩，增加星箭对接分离界面，改进研制出“快舟一号甲”运载火箭。在*个中国航天日(2016年4月24日)，成立仅2个月的航天科工火箭技术有限公司就签订了国内*个商业航天发射服务合同，并用8个半月的时间于2017年1月9日完成了*次商业航天发射，打造了中国商业航天发展的“快舟”速度。2019年8月31日，“微重力技术实验卫星”与“潇湘一号07卫星”分别准确进入预定轨道[3]。这项任务标志着中国*次尝试进行运载火箭和卫星之间的在轨连接测试。通过在运载火箭末级(也称*后级)增加通信天线，在运载火箭末级和卫星之间建立了通信链路。通过运载火箭末级的终端进行天基测控，与中继卫星建立连接，允许地面人员在运载火箭和卫星分离后连续跟踪卫星。“空空链路对接”的实现可避免卫星运行至地球背后导致的短暂失联情况。
2022年12月7日，“快舟十一号”遥二固体运载火箭将行云交通甚高频数据交换系统(very high frequency data exchange system，VDES)试验卫星进入预定轨道[4]，其总体技术水平达到固体运载火箭国际先进水平。中国运载火箭型谱中再添一枚中型固体运载火箭。
“快舟十一号”中型固体运载火箭由中国航天科工集团有限公司负责工程抓总研制，由其下属中国航天三江集团有限公司承担总体研制任务。该火箭为四级运载火箭，即一级固体级段、二级固体级段、三级固体级段和四级液体级段。全箭采用轻量化设计，碳纤维复合材料占比从80%提高到94%，大幅提高了火箭的荷载比，拥有较优的结构系数，也助力该火箭成为中国现役运载系数*高的固体运载火箭。同时，较高的运载系数支撑“快舟十一号”火箭将每千克的发射费用控制在1万美元以内。相比于“快舟一号甲”运载火箭，“快舟十一号”火箭运力实现了成倍跃升，前者的低地球轨道(low earth orbit，LEO)*大运载能力和700km太阳同步轨道(sun synchronous orbit，SSO)运载能力分别为0.3t和0.2t，后者相应的运载能力分别为1.5t(LEO)和1.0t(SSO)，均提升了400%。
“快舟十一号”火箭具有低成本、快响应、市场化的核心特点，采用移动发射平台和三平模式(水平组装、水平测试、水平运输)发射，配备了采用双四级长行程液压缸同步起竖方案的发射车，具备快速发射能力，能够适应多样化发射任务，将主要承担400～1500km低地球轨道和太阳同步轨道小卫星、微小卫星单星及多星组网发射任务。“快舟十一号”火箭能更好地满足大规模、高密度、快速发射卫星的需求。
2.“长征四号丙”运载火箭
除了“快舟”系列运载火箭外，我国还在不断推进其他星箭一体化技术的研发和应用。“长征”系列运载火箭也在逐步采用星箭一体化技术，以提高其有效载荷的利用率和应用范围。
目前，实现元器件上天验证主要有以下三种途径。
(1)发射专用试验卫星。这是一种常规方法，将元器件搭载在专用试验卫星上，将其送入太空进行验证。
(2)在业务卫星上搭载。这种方法是将元器件搭载在已经部署的业务卫星上，元器件可以在实际运行环境中进行测试。
(3)利用载人飞船和空间站搭载。载人飞船和空间站也可以成为元器件验证的平台，这种方法虽然机会难得，但是在某些情况下是可行的。
然而，现役运载火箭大多拥有两级以上的构型。其中，火箭末级通常停留在太空轨道上，没有任何功能，成为一种太空垃圾。一种方法是将末级改造为试验平台，在将卫星送入轨道后继续完成其他任务。据统计，我国在2023年发射了67次火箭。如果按照这个频率运载火箭加装末级验证系统，将会显著提高新元器件在太空环境下的测试验证能力。此外，火箭末级回收难度较大，在轨运行时间较长，且具备集中安装控制系统和其他设备的仪器舱，是*具改造潜力的火箭级段。
针对运载火箭留轨末级再利用的问题，中国航天科技集团有限公司第八研究院提出了低成本太空试验系统。该系统通过对运载火箭留轨末级进行升级改造，充分利用其完整结构体和轨道停留时间，增加*立的能源模块、通信模块和控制模块，使其变成一个完整的卫星平台，并不断完善和升级空间环境测量能力，可提供元器件、组件和载荷在轨试验的标准机接口、电热接口和信息接口，实现即插即用地安装由其他单位研制的元器件、组件、载荷等，并为这些载荷提供太空环境下的试验，成为一种新型的低成本、常态化的太空试验系统。
2022年3月17日，搭载“遥感三十四号02星”的“长征四号丙”运载火箭，在酒泉卫星发射中心成功发射。除了完成主要任务，本次发射的火箭还搭载了末级验证系统开展技术验证[5]。这一举措有助于有效减少火箭发射造成的末级太空垃圾，同时充分利用在轨末级的太空飞行时间。
总的来说，我国在星箭一体化技术研究方面取得了一定的成果，但仍需要不断加强技术创新与合作，以推动星箭一体化技术的进一步发展。同时，随着应用需求的不断增加和商业竞争的加剧，我国需要在星箭一体化技术方面持续投入，以保持其领先地位并满足市场需求。
3.美国Electron火箭和Photon卫星
2019年4月，美国Rocket Lab公司宣布对Electron火箭(图1 1)的末级进行改造，充分利用其末级本身的三轴稳定能力和轨道控制能力，在轨控发动机四周布设太阳能电池板，以满足长期在轨能源获取需求，使末级可以加装一系列载荷，实现长期在轨工作。美国Rocket Lab公司将该卫星平台命名为Photon。
图1 1 Electron火箭
2020年9月3日，Rocket Lab公司宣布已将本公司的**颗Photon卫星平台(图1 2)送入轨道。2020年8月30日，Electron火箭的发动节将美国Capella Space公司的Sequoia雷达成像卫星送入轨道，之后，控制台发出指令，将该节火箭转为Photon卫星模式，成为可*立运作的卫星，命名为“First Light”，开始其自身的轨道飞行任务。因此，Photon卫星平台在该任务中起着双重作用，*先是作为火箭末级用于交付客户卫星，其次是作为*立卫星。该方式消除了部署的航天器的寄生质量，并能够充分利用整流罩。
4.印度PSLV
2022年6月30日，执行PSLV-C53发射任务的极轨卫星运载火箭(polar satellite launch vehicle，PSLV)搭载主星DS-EO和搭载星NeuSAR、Scoob-1等3颗卫星，自萨蒂什？达万航天中心成功发射。同时，此次任务还有特别之处，即将对运载火箭的芯四级(上面级)进行再利用。PSLV-C53发射任务开展了名为PSLV的轨道试验模块行动，使用运载火箭的芯四级作为轨道平台进行在轨科学试验。这是PSLV芯四级*次作为稳定平台绕地球轨道运行，使用专用的导航、制导和控制(navigation， guidance and control，NGC)系统实现姿态稳定。轨道试验模块的电力来自安装在芯四级储箱周围的太阳能电池板及一个锂离子电池，使用四个太阳传感器、一个磁强计、陀螺仪和印度区域导航卫星系统(Indian regional navigation satellite system，IRNSS)进行导航，配备了使用氦气的专用控制推进器，并支持遥控指令控制。在轨道试验模块上搭载了6个有效载荷，其中2个来自印度Digantara公司和Dhruva Space公司。
2023年4月22日，执行PSLV-C55发射任务的PSLV搭载主星TeLEOS-2雷达成像卫星和Lumelite-4卫星，自萨蒂什？达万航天中心成功发射。PSLV的芯四级搭载7个有效载荷，在完成两颗卫星的部署后，PSLV的芯四级作为一个试验平台留在轨道上。这个芯四级被命名为PSLV轨道试验模块-2，在该模块上搭载了7个有效载荷，如高级阻滞电位分析仪和PSLV在轨机载计算 机等。
2024年全球*次航天发射由印度空间研究组织(Indian Space Research Organisation，ISRO)的PSLV完成。2024年1月1日，执行PSLV-C58(图1 3)发射任务的PSLV搭载XPoSat卫星，自萨蒂什？达万航天中心成功发射。此次任务还搭载了POEM-3，它仍然连接到PSLV的第四级火箭上。POEM-3是一种太空摆渡车，POEM-3承载了来自ISRO和印度国家空间推广和授权中心的10个有效载荷(图1 4)，如辐射屏蔽试验模块、燃料电池动力系统、硅基高能电池等。POEM-3预计将在轨运行约一个月。
图1 3 PSLV-C58
图1 4 PSLV-C58的有效载荷容纳
1.2.2 星载一体化飞行器
随着卫星技术的不断发展和完善，卫星
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