發(fā)射器-1成功實現(xiàn)首次入軌發(fā)射

王馨野 曲晶 張綠云（北京航天長征科技信息研究所）

2021 年1 月17 日發(fā)射器－1 第二次發(fā)射

1 任務(wù)情況

2021 年1 月17 日， 維 珍 軌 道 公 司（Virgin Orbit）發(fā)射器－1（LauncherOne）空射運載火箭進行了第二次發(fā)射，成功將10 顆立方體衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。繼2020 年5 月首飛因液氧推進劑管道破裂而失敗后，這是發(fā)射器－1 首次成功完成衛(wèi)星入軌發(fā)射。

此次任務(wù)攜帶的10 顆立方體衛(wèi)星總質(zhì)量為115kg，屬于美國國家航空航天局（NASA）“教育發(fā)射納米20”（ELaNa 20）任務(wù)，其中，9 顆來自美國不同大學(xué)，1 顆來自NASA，目的是執(zhí)行科學(xué)技術(shù)驗證。名為“宇宙女孩”（Cosmic Girl）的波音747 載機于1 月17 日13：38 搭載發(fā)射器－1 火箭從加利福尼亞州的莫哈韋航空航天港（MHV）起飛。飛機在加州南部海岸飛越太平洋上空，飛行高度約35000ft（約10500m）時，載機于14：39 左右投放火箭。其后，一子級牛頓－3（Newton－3）發(fā)動機點火工作3min，隨后一子級分離，二子級牛頓－4 發(fā)動機點火工作近6min。在46min 的滑行后，牛頓－4發(fā)動機重新點火工作，進行了5s 的燃燒，隨后將有效載荷部署到大約500km 高的軌道上，第二次發(fā)射任務(wù)成功完成。

2 空射系統(tǒng)

發(fā)射器－1 空射系統(tǒng)

發(fā)射器－1 空射系統(tǒng)由波音747－400 運輸機改裝的“宇宙女孩”及發(fā)射器－1 運載火箭組成，于2018 年6 月29 日獲得首次軌道發(fā)射許可證，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(fā)射成本約1200 萬美元，可為全球商業(yè)用戶提供快速、可靠、靈活、低成本的小衛(wèi)星發(fā)射服務(wù)。

發(fā)射器－1 為兩級空射運載火箭，由一子級、二子級和整流罩組成，全長21.2m，質(zhì)量30t。一、二子級全為碳復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，直徑分別為1.8m 和1.5m，分別采用公司自行設(shè)計、試驗和生產(chǎn)的牛頓－3 和牛頓－4 液氧/煤油發(fā)動機。與牛頓－1 和牛頓－2 較為簡單的擠壓式不同，牛頓－3 和牛頓－4 均采用泵壓輸送系統(tǒng)，推力分別為327kN 和22kN，工作時長分別為180s 和360s。其中，一子級的自主飛行安全系統(tǒng)（AFSS）為牛頓－3 發(fā)動機提供推力終止，二子級牛頓－4 發(fā)動機具備多次啟動能力。

發(fā)射器－1 火箭結(jié)構(gòu)

發(fā)射器－1 火箭

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，這架飛機此前曾在維珍大西洋航空公司（VAA）服役。隨后，該公司開始在德克薩斯州對波音747 進行全面的檢修。結(jié)構(gòu)改進主要是在左舷內(nèi)側(cè)發(fā)動機和機體之間安裝了掛架，用于掛載發(fā)射器－1 火箭，并加固了左機翼；更新了電力和通信系統(tǒng)，得到了美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）的實驗性適航證；完成了系列試驗?；鸺诩s10.7km 的高空脫離載機，以把衛(wèi)星送入軌道。在發(fā)射過程中，載機負責(zé)提供電力、凈化氣體、健康監(jiān)測以及箭體控制。

發(fā)射器－1 安裝到改裝后的波音747 載機“宇宙女孩”上（來源：Virgin Orbit）

鏈接：美國其他空射運載火箭發(fā)展現(xiàn)狀

縱觀近年來美國空射運載火箭的發(fā)展，有的已黯然退出空射運載領(lǐng)域，也有新加入的成員。2020 年最受人矚目的當屬美國創(chuàng)企時代公司（Aevum），該公司于2020 年12 月發(fā)布了世界上第一架衛(wèi)星發(fā)射無人機—“烏鴉X”（Ravn X）。該無人機將能夠每180min 攜帶一個新的有效載荷進入軌道。與發(fā)射器－1 相比，Aevum 公司采用的是一個完全自主的系統(tǒng)，不需要飛行員或高昂的發(fā)射臺就可以到達近地軌道。該系統(tǒng)還需1 年半的時間準備就緒，第一個客戶已確定為美國太空部隊，預(yù)計進行ASLON－45 小型衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)。

曾經(jīng)是世界上唯一的投入商業(yè)運營的空射運載火箭“飛馬座”（Pegasus）已完成44 次任務(wù)，將80 余顆衛(wèi)星發(fā)射升空。第44 次也是2019 年10月L－1011 載機與飛馬座－XL 火箭組合發(fā)射清單上的最后一飛。而除此之外，“飛馬座”近年來基本上未攬到業(yè)務(wù)。原本NASA 對小型科學(xué)載荷的發(fā)射很多都是依靠“飛馬座”空射火箭，而這次發(fā)射器－1 攜帶的10 顆NASA 小衛(wèi)星任務(wù)一方面證實了其對新型空射運載火箭的信任與支持，另外也證實了傳統(tǒng)空射火箭面臨的窘境。

“空中發(fā)射輔助太空進入”（ALASA）計劃也是以開發(fā)一種小型衛(wèi)星發(fā)射系統(tǒng)為目的，使美軍具備24h 內(nèi)從全球任意常規(guī)機場進入太空的能力，但最終由于動力系統(tǒng)的安全性存在風(fēng)險于2015 年底取消。

“平流層”（Stratolaunch）空射火箭系統(tǒng)的巨型載機在2019 年4 月做了一次試飛后，平流層發(fā)射公司（Stratolaunch）于2020 年3 月表示其正在研發(fā)一款由巨型載機發(fā)射的可重復(fù)使用高超音速飛行器，有意轉(zhuǎn)向高超音速飛行技術(shù)研究。

發(fā)射設(shè)施

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

截至2021 年1 月底，官方公布的全球發(fā)射地點為5 個，分別是美國加利福尼亞州莫哈韋航空航天港、佛羅里達州發(fā)射著陸場（LLF），日本關(guān)島安德森空軍基地（Andersen AFB）和大分機場（OIT），英國康沃爾航天港（Cornwall Space Port）。其中，大傾角發(fā)射服務(wù)在美國莫哈韋航空航天港進行，低傾角和中傾角發(fā)射服務(wù)在日本關(guān)島進行。這兩個地點都是FAA 許可的航天港，用于可重復(fù)使用飛行器的商業(yè)發(fā)射。維珍軌道公司還將把小型衛(wèi)星的靈活發(fā)射引入全球空間港網(wǎng)絡(luò)和世界各國。2020 年4 月，維珍軌道公司表示將日本大分機場選為潛在發(fā)射場，最快2022 年開始用于發(fā)射服務(wù)。此外，2018 年7 月，該公司在范堡羅國際航空航天展覽會上簽署了在英國康沃爾航天港開展發(fā)射器－1 發(fā)射業(yè)務(wù)的協(xié)議。

3 結(jié)語

此次發(fā)射器－1 發(fā)射成功，標志著該火箭正式投入使用。

一方面，作為低成本專屬小型運載火箭，發(fā)射器－1 未來可有效填補小衛(wèi)星發(fā)射能力的不足。目前，基于專用小型運載火箭的缺乏和預(yù)算受限等原因，小衛(wèi)星運營商通常采用“一箭多星”、搭載等發(fā)射方式。但由于會受到主星或其他衛(wèi)星的發(fā)射安排及其軌道和入軌精度等方面的限制，中低軌道小衛(wèi)星運營商很難找到合適的發(fā)射機會。而作為一家空射發(fā)射服務(wù)公司，維珍軌道公司致力于降低發(fā)射成本，其1200 萬美元的發(fā)射價格遠低于飛馬座－XL 空射火箭的5630 萬美元，未來還可借助高密度發(fā)射實現(xiàn)成本的進一步降低。此外，該公司秉承按需發(fā)射理念，將發(fā)射服務(wù)流程化、標準化，并提高發(fā)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(fā)射需求，進而填補小衛(wèi)星發(fā)射能力的不足。

另一方面，由于空射運載火箭系統(tǒng)具備機動性和靈活性，發(fā)射器－1 未來可成為支持快速響應(yīng)進入空間的重要途徑。發(fā)射器－1 不受固定發(fā)射臺的約束，可以從全球不同的機場起飛，無需過多考慮發(fā)射場區(qū)和落區(qū)安全，可用發(fā)射窗口和傾角范圍選擇性大，發(fā)射服務(wù)流程化，加上年12 ～24 枚火箭的制造和組裝能力，系統(tǒng)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(shù)小時。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)獲得美國空軍的青睞，2020 年9 月為美國太空司令部（USSPACECOM）發(fā)射了一顆關(guān)鍵衛(wèi)星，完成快速響應(yīng)模擬發(fā)射；同年4 月獲得其“火箭系統(tǒng)發(fā)射計劃”（RSLP）下的軌道服務(wù)計劃－4（OSP－4）載荷的首個發(fā)射合同，將為空軍發(fā)射44 顆小衛(wèi)星。未來，該系統(tǒng)有望在其專門為國防安全衛(wèi)星發(fā)射而成立的VOX 空間公司的運營下，爭取到更多的軍用發(fā)射合同，實現(xiàn)軍用小衛(wèi)星的快速發(fā)射和組網(wǎng)補網(wǎng)，快速提供針對戰(zhàn)役和戰(zhàn)術(shù)任務(wù)的戰(zhàn)場情報、監(jiān)視與偵察（ISR）、部隊移動中通信、氣象監(jiān)測、定位、導(dǎo)航等方面的信息支援與保障。