“運載器一號”成功發射：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射終于取得成功，把美國宇航局的10 顆立方體衛星送入軌道，這一成功再次把人們的目光吸引到了空射火箭身上。空射火箭一直是航天發射的小眾市場，按照擁護者們的理念，空中發射能讓火箭具有一定的初速和高度，可以節省燃料，提高運載能力，還能自由選擇發射角度。反對者則指出，空中發射火箭的大小受到飛機運載能力的限制，只能打小衛星。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 來充當空中發射平臺，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。

這樣的選擇也和發起人布蘭森的身份有關。他是經營廉價航空維珍航空公司出身，有海外旅行經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 日常維修保養的成本不高，沒有發射任務的時候，這架飛機還能用來承擔貨運任務，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射任務，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舉。

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

作為空中發射，當然是希望到機場后的準備工作越簡單越好，所以固體火箭發動機是首選。但是液氧煤油發動機的比沖更大、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大直徑固體發動機的企業，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動機賣給它。萬一在發射準備的關鍵階段被卡了脖子，那可如何是好。所以“運載器一號”的研制團隊寧可面對技術風險，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，制備液氧的設備也不算什么高技術產品，至于原料，那不就是空氣嗎？但是空射火箭的液氧煤油發動機有個很大的困難，就是發射姿態和傳統火箭不同，燃料供給系統需要重新設計。從地面起飛的傳統火箭，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，這已經是波音747 所能達到的最大仰角了，再向上揚飛機的結構可能會支撐不住。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正常工作，目前看來是可以正常工作的。這也為后續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彈的時候，也會采用先扔下去，讓導彈遠離機身再點火的方式。

飛行程序

▲ “運載器一號”采用液體發動機

▲ “宇宙少女號”準備起飛

▲ “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，經過短暫滑行后二級點火，飛行期間拋整流罩，繼續上升，將有效載荷運送到低轉移軌道（對于非直接入軌任務）。

在滑行期間，為了實現被動熱控制，火箭要以每分鐘0.1 周的速度繞軸心自轉。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軌道。對于軌道高度在625 千米以上的飛行任務，二級火箭還要繼續噴射，經過90 分鐘的飛行，進入預定軌道后，與載荷分離。

有效載荷處理流程

按照維珍軌道公司的設想，衛星可以在發射前30 天抵達發射場。但是如果客戶需要，這個過程還可以縮短。用戶可以把衛星存放在自己設施里，保持待發狀態。

“運載器一號”的主發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，大概的準備流程是這樣的：

1.衛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地面檢查設備放置在指定的工作區域，并根據需要提供開箱/包裝支持。

2.航天器獨立處理和最終準備（在長灘）。客戶完成航天器的獨立驗證，并進行最終飛行準備，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助搬運，或使用超凈間中的其他設備。

3.將衛星與分離系統、其他有效載荷適配器對接，保持垂直狀態。

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

5.運輸至太空港。內裝衛星的整流罩通過卡車運輸至太空港。卡車車廂里配有ISO 8 潔凈室，在運輸過程中提供溫濕度受控的正壓環境。

6.星箭結合。將整流罩與火箭結合在一起，保持水平方向。

▲ “運載器一號”的整流罩內部尺寸

▲ “運載器一號”掛在波音747 左翼下

7.推遲發射的操作。一般情況下不會推遲發射，但是如果用戶任務必須推遲，可以調整發射時間。

發射地點

運載器一號火箭從理論上說是不依賴具體發射場就能使用的，特別是不需要使用美國政府擁有的航天發射場，因此在發射排期上會比較自由。如果某些發射場的日程排滿或天氣不好、測控雷達存在問題、落區安全無法保證，“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，維珍軌道公司的設想還是有吸引力的。

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

第二次發射的情況

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

▲ “運載器一號”和載機的參數

▲ 運載器一號火箭

當天上午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。當時是當地上午11:39，發射地點位于太平洋上空。5 秒鐘后，火箭發動機的燃料泵，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，二級火箭經過6 分鐘燃燒，把載荷送入轉移軌道。飛越南極洲后，二級再次開機，進入500 千米高的預定軌道，釋放了衛星。兩個小時后，維珍軌道公司確認發射成功。

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

本次發射的10 顆衛星分別是：

CACTUS-1–馬里蘭州勞雷爾市首都科技大學的3U 立方體衛星。

CAPE-3——路易斯安那大學拉斐特分校的智能手機立方體衛星。

EXOCUBE-2——加利福尼亞理工大學的3U 立方體氣象和外大氣層研究衛星。

MITE–密歇根大學的兩個立方體衛星任務，旨在開發部署微小繩系衛星的能力。

PICS——百翰青年大學的雙星，用于演示航天器檢查、維護和組裝能力。

PolarCube——科羅拉多大學博爾德分校的小型輻射計衛星。

Q-PACE——中佛羅里達大學的長期微重力實驗衛星。

RadFXSat-2–田納西州納什維爾范德比爾特大學微衛星，研究空間輻射對特定類型靜態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實驗衛星。

維珍軌道公司在發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服務領域，期待著下一次任務。”

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

▲ 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。當然，空射火箭可以用靈活性好、適應性強作為賣點。如果發射頻率提高上去，或許也能壓低價格，實現更強的市場競爭力。布蘭森能不能像經營維珍航空一樣，把維珍軌道變成“廉價航天”，我們不妨繼續觀察。★

▲ 準備中的“宇宙少女號”