“運載器一號”成功發(fā)射：空射火箭，到底行不行？

文/ 松堂

▲ “宇宙少女號”從空中釋放“運載器一號”

2021 年1 月18 日，維珍軌道公司的運載器一號火箭第二次發(fā)射終于取得成功，把美國宇航局的10 顆立方體衛(wèi)星送入軌道，這一成功再次把人們的目光吸引到了空射火箭身上?？丈浠鸺恢笔呛教彀l(fā)射的小眾市場，按照擁護者們的理念，空中發(fā)射能讓火箭具有一定的初速和高度，可以節(jié)省燃料，提高運載能力，還能自由選擇發(fā)射角度。反對者則指出，空中發(fā)射火箭的大小受到飛機運載能力的限制，只能打小衛(wèi)星。而且飛機的飛行也是需要成本的，不見得比地面起飛的火箭更劃算。

下面，我們就努力為大家尋找其中的行與不行。

“運載器一號”的技術(shù)選擇

維珍軌道公司運載器一號火箭的成功，打破了空射火箭市場上飛馬座火箭一枝獨秀的局面，而維珍軌道的發(fā)起人正是太空旅游公司維珍銀河的老板布蘭森。

運載器一號火箭選用了世界上最大的民航飛機波音747-400 來充當(dāng)空中發(fā)射平臺，采用下單翼吊掛方式。因為飛機本身離地間隙大，運載能力強，可以攜帶一枚大一些的火箭，向500千米太陽同步軌道的發(fā)射能力達到300千克，比飛馬座火箭的260 千克大了不少。

這樣的選擇也和發(fā)起人布蘭森的身份有關(guān)。他是經(jīng)營廉價航空維珍航空公司出身，有海外旅行經(jīng)驗的讀者可能還乘坐過他的飛機，所以布蘭森在機型選擇上有更大的余地。波音747 雖然正在退役，但依然在飛的為數(shù)不少，布蘭森弄來一架很容易。相對于制造新飛機，波音747 日常維修保養(yǎng)的成本不高，沒有發(fā)射任務(wù)的時候，這架飛機還能用來承擔(dān)貨運任務(wù)，非常劃算。

運載器一號火箭吊掛在飛機的左翼下面，這與飛馬座的選擇相同。因為波音747 體型更大，所以保持平穩(wěn)飛行的能力也更強，但是可以合理推測，布蘭森可能有更多想法。波音747-400的最大起飛重量近400 噸，最大可以裝載200 噸的燃油，但是作為空中發(fā)射平臺，不需要裝滿燃油才起飛，因此實際載重可以更大。那么如果今后有更多發(fā)射任務(wù)，是不是可以在右翼下再吊一枚火箭呢？如果能做到，這將是航天史上的一大創(chuàng)舉。

“運載器一號”作為空射火箭還有一個重大的創(chuàng)舉，就是采用了液氧煤油發(fā)動機。這為火箭設(shè)計和實際操作帶來了很大風(fēng)險和困難，也導(dǎo)致了它第一次飛行失敗。

作為空中發(fā)射，當(dāng)然是希望到機場后的準(zhǔn)備工作越簡單越好，所以固體火箭發(fā)動機是首選。但是液氧煤油發(fā)動機的比沖更大、運載能力更強。而且這里還有個競爭與壟斷的問題，諾斯羅普-格魯曼是美國唯一有能力生產(chǎn)大直徑固體發(fā)動機的企業(yè)，維珍軌道公司就算肯出錢，諾斯羅普-格魯曼也不一定肯把發(fā)動機賣給它。萬一在發(fā)射準(zhǔn)備的關(guān)鍵階段被卡了脖子，那可如何是好。所以“運載器一號”的研制團隊寧可面對技術(shù)風(fēng)險，也不愿意把命運交到別人手里。

液氧煤油燃料的獲取并不困難，機場的油庫里就有取之不盡的航空煤油，制備液氧的設(shè)備也不算什么高技術(shù)產(chǎn)品，至于原料，那不就是空氣嗎？但是空射火箭的液氧煤油發(fā)動機有個很大的困難，就是發(fā)射姿態(tài)和傳統(tǒng)火箭不同，燃料供給系統(tǒng)需要重新設(shè)計。從地面起飛的傳統(tǒng)火箭，燃料在重力和壓力氣體的作用下，可以比較順利地進入燃料泵、再噴入發(fā)動機，在起飛前，火箭也是保持靜止的。但是“運載器一號”在起飛前需要經(jīng)受飛機飛行和氣流沖擊的振動，脫離載機時的角度只有27.5 度，這已經(jīng)是波音747 所能達到的最大仰角了，再向上揚飛機的結(jié)構(gòu)可能會支撐不住。目前還不知道“運載器一號”采用了什么具體方式來保證燃料系統(tǒng)正常工作，目前看來是可以正常工作的。這也為后續(xù)其他空射火箭型號采用液體燃料提供了信心。

▲ 理查德·布蘭森（Richard Branson）在加利福尼亞的維珍軌道公司

既然是下單翼限制了火箭尺寸，為什么不把火箭放在機翼上面呢？因為火箭并不是點火后自己飛離載機的，那樣火焰會把飛機的外殼燒壞。軍用飛機在投擲大型導(dǎo)彈的時候，也會采用先扔下去，讓導(dǎo)彈遠離機身再點火的方式。

飛行程序

▲ “運載器一號”采用液體發(fā)動機

▲ “宇宙少女號”準(zhǔn)備起飛

▲ “運載器一號”的飛行程序

綽號“宇宙少女”的波音747-400帶著裝好燃料及有效載荷的“運載器一號”從機場起飛，進入無人居住的海上發(fā)射走廊，抵達大約10500 米高度的海洋上方，然后以27.5 度的仰角把火箭甩出去。大約5 秒后火箭點火。一級火箭大約工作3 分鐘，經(jīng)過短暫滑行后二級點火，飛行期間拋整流罩，繼續(xù)上升，將有效載荷運送到低轉(zhuǎn)移軌道（對于非直接入軌任務(wù)）。

在滑行期間，為了實現(xiàn)被動熱控制，火箭要以每分鐘0.1 周的速度繞軸心自轉(zhuǎn)。抵達遠地點后，火箭要進行軌道修正推進，把有效載荷精確送入目標(biāo)軌道。對于軌道高度在625 千米以上的飛行任務(wù)，二級火箭還要繼續(xù)噴射，經(jīng)過90 分鐘的飛行，進入預(yù)定軌道后，與載荷分離。

有效載荷處理流程

按照維珍軌道公司的設(shè)想，衛(wèi)星可以在發(fā)射前30 天抵達發(fā)射場。但是如果客戶需要，這個過程還可以縮短。用戶可以把衛(wèi)星存放在自己設(shè)施里，保持待發(fā)狀態(tài)。

“運載器一號”的主發(fā)射場是美國加州莫哈維沙漠中的航天港，理論上也可以從美國大陸的其他機場起飛。如果是從莫哈維起飛，大概的準(zhǔn)備流程是這樣的：

1.衛(wèi)星送達加利福尼亞州長灘超凈間。維珍軌道公司將客戶裝箱的硬件和相關(guān)地面檢查設(shè)備放置在指定的工作區(qū)域，并根據(jù)需要提供開箱/包裝支持。

2.航天器獨立處理和最終準(zhǔn)備（在長灘）?？蛻敉瓿珊教炱鞯莫毩Ⅱ炞C，并進行最終飛行準(zhǔn)備，如清潔太陽能電池板和拆除蓋子/插銷，必要時由維珍軌道公司提供人力協(xié)助搬運，或使用超凈間中的其他設(shè)備。

3.將衛(wèi)星與分離系統(tǒng)、其他有效載荷適配器對接，保持垂直狀態(tài)。

4.整流罩封裝（在長灘進行）。衛(wèi)星、分離系統(tǒng)封裝在有效載荷整流罩內(nèi)，然后傾倒成水平位置以便運輸。

5.運輸至太空港。內(nèi)裝衛(wèi)星的整流罩通過卡車運輸至太空港?？ㄜ囓噹锱溆蠭SO 8 潔凈室，在運輸過程中提供溫濕度受控的正壓環(huán)境。

6.星箭結(jié)合。將整流罩與火箭結(jié)合在一起，保持水平方向。

▲ “運載器一號”的整流罩內(nèi)部尺寸

▲ “運載器一號”掛在波音747 左翼下

7.推遲發(fā)射的操作。一般情況下不會推遲發(fā)射，但是如果用戶任務(wù)必須推遲，可以調(diào)整發(fā)射時間。

發(fā)射地點

運載器一號火箭從理論上說是不依賴具體發(fā)射場就能使用的，特別是不需要使用美國政府擁有的航天發(fā)射場，因此在發(fā)射排期上會比較自由。如果某些發(fā)射場的日程排滿或天氣不好、測控雷達存在問題、落區(qū)安全無法保證，“運載器一號”可以選擇其他機場起飛。如今美國東西海岸的發(fā)射場日益繁忙，無論范登堡基地還是卡納維拉爾角基地都忙得不行，維珍軌道公司的設(shè)想還是有吸引力的。

按照設(shè)計，向大傾角軌道發(fā)射時，從莫哈維機場起飛。向中傾角軌道發(fā)射時從佛羅里達州起飛，低傾角發(fā)射可以從太平洋島嶼上起飛。

第二次發(fā)射的情況

2021 年1 月18 日，維珍軌道公司的運載器一號火箭第二次發(fā)射終于取得成功，把美國宇航局的10 顆立方體衛(wèi)星送入軌道，這為公司的商業(yè)運營做好了準(zhǔn)備。

▲ “運載器一號”和載機的參數(shù)

▲ 運載器一號火箭

當(dāng)天上午10:38，波音747-400 飛機從莫哈維航空航天港起飛，向西飛行，然后轉(zhuǎn)向南，穿越加州中部海岸后，飛機向上爬升，達到了超過25 度的仰角，在10700 米左右高度放飛了火箭。當(dāng)時是當(dāng)?shù)厣衔?1:39，發(fā)射地點位于太平洋上空。5 秒鐘后，火箭發(fā)動機的燃料泵，在太平洋上空向東南方向加速，燃燒3 分鐘后，把火箭推出大氣層。

一級脫離后，二級火箭經(jīng)過6 分鐘燃燒，把載荷送入轉(zhuǎn)移軌道。飛越南極洲后，二級再次開機，進入500 千米高的預(yù)定軌道，釋放了衛(wèi)星。兩個小時后，維珍軌道公司確認(rèn)發(fā)射成功。

“運載器一號”上次任務(wù)失敗是因為一級火箭液氧管破裂導(dǎo)致的，這次的改進措施顯然生效了。

本次發(fā)射的10 顆衛(wèi)星分別是：

CACTUS-1–馬里蘭州勞雷爾市首都科技大學(xué)的3U 立方體衛(wèi)星。

CAPE-3——路易斯安那大學(xué)拉斐特分校的智能手機立方體衛(wèi)星。

EXOCUBE-2——加利福尼亞理工大學(xué)的3U 立方體氣象和外大氣層研究衛(wèi)星。

MITE–密歇根大學(xué)的兩個立方體衛(wèi)星任務(wù)，旨在開發(fā)部署微小繩系衛(wèi)星的能力。

PICS——百翰青年大學(xué)的雙星，用于演示航天器檢查、維護和組裝能力。

PolarCube——科羅拉多大學(xué)博爾德分校的小型輻射計衛(wèi)星。

Q-PACE——中佛羅里達大學(xué)的長期微重力實驗衛(wèi)星。

RadFXSat-2–田納西州納什維爾范德比爾特大學(xué)微衛(wèi)星，研究空間輻射對特定類型靜態(tài)隨機存取存儲器的影響。

TechEdSat-7——美國宇航局阿姆斯研究中心的技術(shù)實驗衛(wèi)星。

維珍軌道公司在發(fā)射成功后的一份聲明中說：“通過這一成功的展示，維珍軌道公司將正式過渡到商業(yè)服務(wù)領(lǐng)域，期待著下一次任務(wù)?！?/p>

目前，維珍軌道公司已經(jīng)拿到了美國天軍、英國空軍、美國Swarm Technologies 公司、意大利SITAEL 公司和丹麥GOMSOLL 公司等用戶的發(fā)射合同。除了在加利福尼亞州莫哈維的主要發(fā)射基地外，維珍軌道公司還計劃從關(guān)島發(fā)射，并正在研究從英國和世界其他地點發(fā)射。

▲ 宇宙少女號空射火箭平臺與運載器一號空射火箭

“運載器一號”的飛行成功，似乎讓人們對空射火箭的未來有了更強的信心。但是從目前來看，空射火箭的成本還是比地面起飛火箭要高。有消息說，“運載器一號”每次飛行的價格達到1500 萬美元，折合到每千克的成本還是比地面起飛的大型火箭貴不少。當(dāng)然，空射火箭可以用靈活性好、適應(yīng)性強作為賣點。如果發(fā)射頻率提高上去，或許也能壓低價格，實現(xiàn)更強的市場競爭力。布蘭森能不能像經(jīng)營維珍航空一樣，把維珍軌道變成“廉價航天”，我們不妨繼續(xù)觀察。★

▲ 準(zhǔn)備中的“宇宙少女號”