當地時間1月15日早上8:33，幾經推遲的「世界最小火箭」——日本SS-520-4號機從內之浦宇宙空間觀測所發射升空，但隨後失去遙測信號墜入大海，所攜載荷一併損失。
在2016年年末到2017年年初的航天發射高峰期，這次失利原本算不上什麼——畢竟航天發射充滿了風險與不確定性，出現問題也屬於正常，不過這次發射的噱頭在於火箭的體量在目前應用的航天發射載具中是最小的，這也自然引起了國內外媒體的關注。那麼筆者就以公開資料為基礎，帶大家看看這個「世界最小火箭」到底有什麼名堂。
探空火箭轉行發射衛星
這次發射的火箭SS-520四號機是從日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）研發的系列探空火箭發展而來，同系列型號還有S-160、S-210、S-310和S-520。日本探空火箭的命名規則很直接，「S」的數量代表火箭的級數（Stage），後面的數字是火箭的直徑（毫米），SS-520的意思就是兩級式520mm直徑探空火箭，全長9.65米，發射重量2.6噸，能把140千克的載荷送到距地面800千米的高度。
S-310和S-520探空火箭準備發射
應當注意的是，基本型的SS-520並不能將載荷送入軌道，800千米只不過是拋物線最高點，與人造衛星入軌的要求相距甚遠。不過日本人對於把S系列探空火箭改裝成能夠發射小衛星的運載火箭，顯示出了獨特的興趣——早在上世紀90年代，在只有S-520的時候，JAXA的科學家已經開始規劃兩級式的SS-520，並論證給SS-520增加第三級以發射低軌道衛星的可行性。
在這次發射之前，SS-520隻進行了兩次成功的亞軌道發射：第一次於1998年2月5日在日本內之浦，以驗證用於衛星發射的姿態控制裝置；第二次於2000年12月4日在挪威斯瓦爾巴群島，進行地磁場相關科學實驗。時隔16年，「半路出家」的SS-520四號機終於開始嘗試真正意義上的軌道發射，但卻遭遇了失敗。
S系列探空火箭原本的彈道——高空科學實驗
「非典型」日貨
從探空火箭到運載火箭，SS-520都進行了哪些改進呢？我們不妨從SS-520四號機的資料開始探究。
SS-520-4結構圖
SS-520-4充分利用SS-520已有的部件，包括尾翼、一級火箭、二級火箭和頭錐；新研發了第三級火箭、二三級連接段還有三級與衛星連接段；為了適應軌道發射，對一二級連接段以及噴氣控制機構進行了改進。這樣，SS-520-4基本具備了運載火箭的特徵，可以進行衛星發射了。
不過，之所以說它只是有運載火箭的「特徵」，是因為和真正的運載火箭設計的飛行器相比，SS-520-4實在是過於簡陋，從該機的發射時許上就能夠看出端倪：
SS-520-4飛行時序
拜探空火箭的底子所賜，SS-520-4起飛後迅猛加速，31.7秒時一級火箭就已經燃燒完畢，火箭達到26千米高度，速度每秒2千米。這時，一般的運載火箭會進行一二級分離，二級點火繼續飛行，以獲得更大的速度增量。但是SS-520-4卻要帶著成為死重的一級繼續無動力飛行34.3秒，白白浪費寶貴的速度。
這一方面是因為，一級火箭工作時間短，如果燒完就拋棄的話，一級落區會處於近海，對船舶航行和漁業造成很大幹擾；而另一方面，SS-520-4的控制方式簡陋——火箭的飛行穩定完全依靠一級尾翼產生的自旋維持，過早拋棄一級也有可能導致火箭在相對稠密的大氣層區間內逐漸失去穩定性，導致失敗。
http://www.bilibili.com/video/av8027557/
SS-520-4發射實況
觀看過我國長徵系列火箭發射的朋友肯定會記得，火箭點火起飛後的第一個動作就是「程序轉彎」，因為發射時火箭是垂直於地面的，最終入軌時速度方向與地面幾乎平行，火箭必須在飛行中不斷調整姿態，飛出一條曲線平滑地把載荷送入軌道。不過從SS-520-4的發射實況來看，火箭是從小角度傾斜的掛架上直接起飛，直線上升，並沒有程序轉彎——因為SS-520的固體發動機是無控的，不能進行矢量控制。
當然，SS-520-4並非沒有主動控制機構，在一級和二級火箭之間，安裝有對自旋穩定的箭體進行姿態調整的簡易控制裝置。上面我們說過，由於一級火箭的工作時間過短，一級關機時高度太低，根本無法形成入軌條件，必須等到高度和速度都相對合適的時候才能令二級點火。同時，還要把近乎垂直姿態的箭體調整到一個「躺倒」的角度上，否則二級的噴氣方向不對，還是會失敗。
主動控制機構是典型的單組元冷氣姿態控制系統，以5.7升23兆帕的高壓氮氣作為工質，在頭錐和一級火箭相繼分離後按照既定時序開始工作，預計工作時間29秒，在二級火箭點火判定前分離——受火箭性能限制，控制機構不能入軌，二級點火以後的動作中，火箭完全沒有主動姿態控制能力，只靠一級尾翼產生的自旋角動量維持穩定。
SS-520-4僅有的主動控制機構
筆者簡單翻譯了SS-520-4的二級點火判定邏輯圖，SS-520-4的二級點火是通過遙測數據由地面發送指令的，通過對五個關鍵數據的判定，決定是否啟動二級發動機繼續入軌。不巧的是，這次發射中，遙測數據在起飛後20秒就丟失了，地面控制中心無法得知火箭的準確狀態，二級點火判定自然無法進行，發射也就失敗了。
二級點火判定邏輯圖
審視頂著「世界最小運載火箭」名頭的SS-520-4，我們不難發現，這型火箭並沒有傳統日本產品「技術先進」「細節出色」的感覺，反而是能省則省，只具備軌道發射的基本條件，正常運載火箭的關鍵節點冗餘備份基本沒有，單點故障極多，這也必然導致發射成功率大幅降低。
低成本下的質次價高
如果一切順利的話，經過二級三級的助推，SS-520四號機搭載的TRICOM-1立方星還是可以進入軌道，成為真正的人造衛星的。不過我們要注意的是，TRICOM-1的預定軌道是近地點180千米，遠地點1500千米，傾角31°的橢圓軌道。由於近地點過低，軌道阻力大，根據筆者用STK軟體模擬，發射成功的TRICOM-1也會在四個月左右的時間隕落——儘管對於一顆預計壽命只有30天的立方星來說這不算是個缺點，但是這種軌道遠不如圓軌道實用，對於衛星的實際應用和測控都有很大阻礙。
STK初步模擬的TRICOM-1再入軌道
不過就SS-520-4火箭而言，打出這種軌道並非刻意為之，實在是打不了圓軌道——對於這種基本無控的小火箭而言，能入軌已經是勝利，還能要求更多嗎？
縱觀SS-520系列的技術特點，我們不難發現：在這型小火箭上，處處體現著「因陋就簡」的思想，最大程度利用既有技術，甚至不惜削足適履，把本該具有的控制設備和冗餘備份全部剔除，以期獲得低廉的發射成本和快速響應的發射能力。
然而偏偏事與願違，根據外媒報導，SS-520-4的發射成本在400萬美元左右，由於載荷只有一顆立方星，如果這是一次商業發射的話，為了不賠本，衛星使用方付出的發射費用應當高於400萬美元。而在國際市場上，同等規格的3U立方星，發射報價一般在30萬美元左右，這使得SS-520改裝的運載火箭基本不存在競爭力。
也許隨著未來發射次數的提高，單發成本能夠降下來，但是考慮到這種小火箭的可靠性從設計上就很差，衛星使用方面臨的風險與保險壓力都會很大。更不用說正常運載火箭的搭載服務一般是把立方星送入圓形的太陽同步軌道，除了圓軌道對衛星載荷、通信和測控的優勢外，光照條件的一致性也會一定程度簡化衛星設計，延長衛星壽命，客戶似乎更沒有理由把自己的小衛星交給日本的小火箭來發射。因此，給SS-520-4一個「質次價高」的考語是沒有錯的。
TRICOM-1立方星，類似3U立方星的搭載發射方案已經成熟
當然，儘管從總體設計層面上，SS-520系列並不能被視為成功的運載火箭，但類似SS-520的設計思路也並不罕見：據筆者了解，國內某明星火箭少年的「中國SpaceX公司」就是準備從探空火箭搞起，以探空火箭技術發展小型運載火箭。對此，筆者到也希望國內草根民營火箭的創業者們，關注一下日本的這枚「世界最小運載火箭」，吸取前人失敗的教訓，切勿重蹈覆轍。
最後，有必要糾正一下一些朋友的誤解，SS-520-4並不是「有史以來最小運載火箭」，而是「目前還在發展的運載火箭中最小的」，歷史上最小的、有軌道發射能力的載具是美國海軍在上世紀50年代研發的空射反衛星武器NOTS-EV-1，這是一種5級火箭，曾進行過4次地面亞軌道測試和6次空射測試，全部以失敗告終。
NOTS-EV-1反衛星武器