發射器- 1 空射系統首飛失利及影響分析

張綠云 王馨野 曲晶（北京航天長征科技信息研究所）

1 首飛情況

2020 年5 月25 日， 維珍軌道公司（Virgin Orbit）的發射器-1（LauncherOne）空射火箭搭乘波音747 載機從加利福尼亞州的莫哈韋航空航天港起飛，進行首次發射。載機飛行54min 后，到達指定發射區域。隨后，發射器-1 火箭從載機左翼成功釋放，一子級牛頓-3（N-3）發動機實現了點火工作，但一子級工作期間，液氧推進劑管道斷裂導致發動機關機，任務失敗。

按照原計劃，一級需要點火工作約3min。隨后，火箭一子級分離，二子級發動機開始工作，時長約為6min。火箭整流罩會在二子級發動機點火后約20s 后拋掉。二子級關機后，火箭要做22min 的慣性飛行，然后二子級發動機二次點火工作15s。在脫離載機后約32min 左右，火箭將有效載荷送入近地軌道。

本次發射原定于5 月24 日進行，但由于傳感器故障而推遲。

2 發射器-1 空射系統

發射器- 1 是維珍軌道公司自主研制的空射火箭系統，由發射器- 1 火箭、波音747 載機和地面支持系統組成，太陽同步軌道（SSO）和低地球軌道（LEO）運載能力分別為300kg 和500kg，發射成本約為1200 萬美元，可為全球商業用戶提供快速、可靠、靈活、低成本的小衛星發射服務。

發射器-1 空射系統

發射器-1 火箭

發射器-1 是維珍軌道公司自2012 年開始研制的二級空射運載火箭，由公司自主完成其設計、研制、試驗、組裝與發射。火箭由一子級、二子級和整流罩組成，全長21.2m。

一、二子級為復合材料結構，直徑分別為1.8m和1.5m，分別采用公司自行設計、試驗和生產的牛頓-3 和牛頓-4 液氧/煤油發動機，均采用泵壓輸送系統，推力分別為327kN 和22kN，工作時長分別為180s 和360s。其中，二子級發動機具備多次啟動能力。

在火箭研制過程中，公司將主要資金用于多項新技術的突破，實現高可靠與低成本的目標，包括：低溫復合材料貯箱、泵壓式推進系統和自動飛行安全系統（AFSS）。自2015 年以來，維珍軌道公司進行了數百次牛頓-3 和牛頓-4 發動機熱試車，驗證了發動機的性能。

波音747 載機

2015 年底，維珍軌道公司決定改進波音747-400飛機作為專用載機，以提高運載能力和靈活性。隨后，公司開始在德克薩斯州對波音747 進行全面的檢修。完成結構改進，主要是在左舷內側發動機和機體之間安裝了掛架，用于掛載發射器- 1 火箭，并加固了左機翼；更新了電力和通信系統，得到了美國聯邦航空管理局（FAA）的實驗性適航證；完成了系列試驗。在發射過程中，載機負責提供電力、凈化氣體、健康監測以及箭體控制。

發射器-1 火箭

發射設施

在發射設施方面，主要的發射場為莫哈維航空航天港。目前，公司已經完成了該發射場的發射評估，同時還在開展其他低緯度發射場地的評估，包括位于肯尼迪航天中心的航天飛機著陸設施、夏威夷的科納國際機場、波多黎各的羅斯福路軍港等。此外，公司還積極與英國、日本等國家進行合作，建設發射設施，包括位于英國紐基康沃爾機場的康沃爾航天發射中心以及位于日本九州島的大分機場，以滿足用戶的需求。

與傳統的發射方式不同，該系統無需為發射任務建造固定發射平臺和其他地面輔助設施，而是由可移動設施設備組成，包括一組推進劑加注設施、有效載荷服務拖車、用于收集與傳輸遙測信息的地面站以及發射控制中心。

3 維珍軌道公司

基本情況

2017 年，作為維珍集團附屬子公司的維珍軌道公司成立，總部位于美國長灘，員工超過300人，由原波音公司（Delta）副總經理丹·哈特[曾效力于航天飛機和“德爾他”（Delta）火箭項目]任首席執行官，致力于發射器-1 空射火箭的研發、制造和發射，以此為小衛星提供經濟、快速、可靠的專屬發射服務。此外，出于國家航天業務安全保密方面的需要，維珍軌道公司組建了一個子公司，即VOX 航天公司，重點面向發射器-1 的國家安全航天用戶。

在合同方面，截至目前，維珍軌道公司已同NASA、空天全球公司（Sky and Space Global）等商業公司簽訂了商業發射合同。此外，2020 年4月10 日，VOX 公司宣布獲得美國天軍太空與導彈系統中心（SMC）的一份價值3500 萬美元的發射合同，計劃通過發射器-1 完成總計44 顆小衛星的發射。首次發射預計在2021 年10 月進行。

基礎設施建設

公司擁有獨立的制造和測試設施，總部和生產設施均位于加利福尼亞州的長灘，試驗和發射設施位于附近的莫哈韋。除了建設新的專用設施之外，公司還充分利用現有基礎設施，降低產品的研制成本。

公司總部位于加州長灘，占地面積16700m2，包括辦公區、大型先進制造廠房（占地面積14000m2）和載荷處理設施（PPE），用于完成產品的設計、制造和組裝。制造廠房配有大型綜合生產制造車間，工裝配置齊全，生產高效；配有大型計算機數控（CNC）金屬車間，用于制造火箭的推進系統、全套電子設備和質量驗證系統；配有大型火箭裝配車間，每年可完成12 ～24 枚火箭的組裝。載荷處理設施包括辦公區、通用或專用機械地面支持設備、控制車間以及ISO8級潔凈車間，用于完成有效載荷的檢測、封裝與集成。

波音747 載機

發射器-1 空射系統地面設施

位于長灘的生產制造廠房

貯箱試驗設施

發動機試驗設施

公司對莫哈維航空航天港的現有設施進行了改進，并為發射器-1 火箭建造了新型試驗設施，共8 個試驗臺，用于進行發動機、復合材料貯箱及全箭的測試。

空射服務流程

發射器-1 空射系統的發射服務包括任務規劃、衛星處理安排、星箭集成和衛星發射入軌。

維珍軌道公司致力于將衛星發射服務流程化，主要減少發射準備時間。對于標準的主要載荷，合同執行開始9 個月內可完成發射，而對于搭載載荷，所需時間為6 個月左右。對于標準的衛星發射，載荷封裝、運抵發射場之后3 天內完成發射。

4 影響分析

作為低成本專屬小運載火箭，未來可有效填補小衛星發射能力的不足

隨著航天技術的發展，小衛星數量逐年增加。根據歐洲咨詢公司2018 年發布的《小衛星市場展望》報告，未來10 年預計將有約7000 顆小衛星（質量小于500kg）需要發射，幾乎是以往10 年小衛星發射數量（1200 顆）的6 倍。未來，小衛星發射在商業航天領域將變得尤為重要。

衛星發射服務流程

目前，基于專用小運載的缺乏和預算受限等原因，小衛星運營商通常采用“一箭多星”、搭載等發射方式。但由于會受到主星或其他衛星的發射安排及其軌道和入軌精度等方面的限制，中低軌道小衛星運營商很難找到合適的發射機會。而作為一家空射發射服務公司，維珍軌道公司致力于降低發射成本，其1200 萬美元的發射價格遠低于飛馬座-XL（Pegasus-XL）空射火箭的5630 萬美元，未來還可借助高密度發射實現成本的進一步降低。此外，公司秉承按需發射理念，將發射服務流程化、標準化，并提高發射頻率，以其500kg 的運載能力通過專享或拼單方式，滿足用戶的發射需求，進而填補小衛星發射能力的不足。

具備機動性和靈活性，未來可成為支持快速響應進入空間的重要途徑

發射器-1 空射系統不受固定發射臺的約束，可以從全球不同的機場起飛，無需過多考慮發射場區和落區安全，可用發射窗口和傾角范圍選擇性大，發射服務流程化，加上年12 ～24 枚火箭的制造和組裝能力，系統具備良好的機動性和靈活性，未來有望將星座部署時間降低至數小時以內。

作為快速、靈活火箭的代表，發射器-1 空射系統將成為未來實現快速響應的一個重要途徑。目前，該系統已經獲得美國空軍的青睞，于2020 年4月獲得其“火箭系統發射計劃”下的軌道服務計劃-4（OSP-4）載荷的首個發射合同，將為空軍發射44 顆小衛星。未來，該系統有望在其專門為國防安全衛星發射而成立的VOX 子公司的運營下，爭取到更多的軍用發射合同，實現軍用小衛星的快速發射和組網補網，快速提供針對戰役和戰術任務的戰場情報、監視與偵察、部隊移動中通信、氣象監測、定位、導航等方面的信息支援與保障。