飛馬座火箭：空射火箭先行者

文/ 李晨風

▲ 飛馬座的可選發射場

“運載器一號”僅僅實現了一次飛行成功，未來如何還需要觀察。“飛馬座”卻在幾十年的時間里，獨自支撐起了空射火箭的江湖，如今依舊老當益壯。

起源和發展

“飛馬座”計劃始于1987 年春，是由當時的軌道科學公司和大力神航空航天公司自籌資金研制的，沒有得到任何政府資助。不過在開發早期的掛飛試驗和最初幾次飛行期間，美國宇航局提供了B-52 轟炸機改造而來的試驗母機，也算是承擔了一部分成本。此外，最初的兩個客戶軌道通信星座和地球觀測星座預付了一部分款項。

1990 年4 月5 日，美國宇航局試飛員、前航天員戈登·富勒頓指揮載機升空，實施了飛馬座火箭的第一次發射。美國國防高級研究計劃局（DARPA）是飛馬座火箭的第一個客戶。當時DARPA 簽訂了5 次發射意向，但實際上只落實了1 次，其余4 次都移交給了美國空軍。

到1994 年，軌道科學公司購買了一架退役的洛克希德公司L-1011 客機，命名為“觀星者”號，以此向《星際迷航：下一代》中的“觀星者”號聯邦星艦致敬。

1993 年，美國宇航局發布了一份小型一次性運載火箭服務（SELVS）的招標書，要求性能略高于原“飛馬座”。1994 年軌道科學公司和大力神公司開發了XL 版本，以滿足美國宇航局的要求。“飛馬座”XL 第一級和第二級火箭加長，第三級沒有改變。飛行操作流程依舊，對“觀星者號”的機翼做了加強，可以承載更大的火箭，是現在的主力型號。

▲ 飛馬座火箭的飛行準備程序

▲ 飛馬座XL 火箭的無HAPS 飛行程序

“飛馬座”在美國國內的評價相當不錯，安東尼奧·埃利亞斯領導的研制小組在1991 年獲得了時任美國總統布什頒發的國家技術獎章。

“飛馬座”最初的發射價格為600萬美元，當時還沒有配套肼輔助推進系統（HAPS）上面級。后來的“飛馬座”XL發射價格大幅度上漲，美國宇航局的電離層連接探測器（ICON）任務就用這種火箭發射，合同總金額達到5630 萬美元，其中包括“固定發射服務成本，航天器處理，有效載荷集成，跟蹤、數據和遙測以及其他發射支持要求”，發射在2019 年10 月11 日實施。

在其44 次發射歷史中，“飛馬座”有3 次任務失敗（STEP-1、STEP-2 和HETI/SAC-B），兩次部分失敗（USAF Microsat 和STEP-2），隨后連續30次成功飛行，總成功率為89%。1991年7 月17 日的第一次部分失敗導致美國空軍的7 顆微型衛星沒有進入預定軌道。1996 年11 月4 日的失敗導致伽瑪暴識別衛星丟失。

火箭結構

“飛馬座”和地面起飛火箭的最大區別就是有翅膀，它不僅僅有主翼，還有尾翼。尾翼組件由后裙、水平尾翼和單垂尾、舵機組成。尾翼組件是傳統的全鋁結構框架和應力蒙皮組成，尾翼的轉動軸用鈦合金制成。

作為一種固體火箭，“飛馬座”不可避免地要面對精度比較差的問題。固體發動機存在著推力偏心，也就是說，推力和火箭軸線之間存在著橫向偏移量和方向偏離角。這種情況在液體發動機上就輕得多。“飛馬座”的上面級就是為了修正這個偏離量而設置的。如果用戶對精度要求不高、不設置HAPS 上面級，那么三級火箭在與載機分離后10分鐘即完成任務，星箭分離。如果配備了HAPS 上面級，將由它把衛星送入最終軌道。

在飛行期間，火箭的姿態由冷氣推力矢量控制系統負責調解。箭上裝有液氮氣罐，通過液氮的噴射來形成控制力矩。

靈活選擇發射地點

飛馬座火箭充分體現了空射火箭的優勢，那就是可以非常靈活地選擇發射位置和發射方向，甚至可以靈活選擇飛機起飛的位置。

火箭載機的主要基地就是范登堡空軍基地，可以實現70°～130°之間的軌道傾角，包括極軌道和大傾斜軌道。如果需要更大的傾角，就要和靶場管理部門進行額外的分析和協調。如果要實現較低的傾角，可以通過火箭在空中大幅度變軌來實現，但這樣會消耗很多推進劑，造成運載能力的下降。同樣，在范登堡空軍基地發射時，可能有一些特殊的落區安全要求，導致某些傾角無法實現。好的一方面是，在這里發射時可以利用當地的測控跟蹤通信設施。

“飛馬座”還可以在其他靶場發射，包括沃洛普斯基地（WFF）、美國空軍東海岸基地（ER）、里根試驗場（RTS）。如果從東海岸發射，就要使用美國宇航局或者美國空軍東海岸靶場的有關設施。

如果要向赤道軌道發射衛星，就可以在夸賈林環礁靶場起飛。根據軌道科學公司與靶場簽訂的合同，在發射窗口期間，有關設施可以優先用于“飛馬座”發射的任務支持。

一般來說，航天發射需要衛星制造商和火箭制造商各自把產品送到發射場，在發射場處理和組裝，然后起飛。但是“飛馬座”采用固體火箭、空中發射的方式，可以讓載機帶著火箭去“湊”衛星。1997 年，“飛馬座”在范登堡基地集成后，由“觀星者號”掛載，飛往西班牙馬德里，與西班牙制造的MINISAT-01 衛星結合，然后前往大加那利島，發射成功。

▲ 飛馬座火箭結構示意圖

飛行程序

“飛馬座”的主要部件出廠后，都運輸到范登堡空軍基地進行組裝。這里專門為飛馬座火箭開辟了一個危險貨物處理區，外號叫“熱墊”。

在“熱墊”里有一整套火箭和衛星處理設施，包括地面支持設備、總裝集成測試設備、軌道運輸裝置和運輸車。有些設備用于火箭的運輸、裝車和卸車，有些用于集成和測試，有些用于保證衛星的環境控制。處理設施當中提供必要設備，來實現星箭結合，但是衛星本身的處理設備需要衛星業主自己提供。

▲ 飛馬座XL 火箭的有HAPS 飛行程序

▲ 飛馬座XL 空射火箭

星箭結合之后，將進行一系列的測試活動，包括相位測試、飛行模擬等等。其中需要對火箭的飛行計算機做專門測試。在測試當中，火箭的主要分系統，包括氣動控制面、冷氣控制系統、舵機指令系統都要確保合格。

至于衛星本身，應該在發射前30天進入發射場。如果不是在范登堡空軍基地，而是在某個用戶選定的機場發射，就要再提前10 天。在星箭結合之前，衛星本身應該完成測試。為此，需要和發射場進行一些協調工作，危險品和有危險的工藝過程要提前120 天協調。

“飛馬座”并不是掛上飛機就可以發射的。一般來說，要在發射前三四天就把它掛到載機上，然后進行各種機械和電氣接口的測試。這時候的飛機要用地面車輛來供電、供氣。有時候衛星上會采用一些火工品，在臨近發射的時才會安裝上去。所以在火箭整流罩上留有艙門，在飛機起飛前一小時安裝。

當所有測試工作完成，地面車輛就會斷開與載機的所有連接，改由飛機發動機的動力向火箭及衛星供電，保持整流罩內的環境。起飛前，要打開火箭上的各種保險。飛機起飛后10 分鐘內，要擇機把電源供應切換到箭上電池。發射前45 秒，火箭再次實施自檢，自檢通過后向發射控制室返回一個信號，然后飛行員根據控制室指令釋放火箭。

典型的發射程序是：載機在大約11900 米的高度和0.82 倍音速下釋放“飛馬座”。約5 秒后，載機已經進入安全區，“飛馬座”一級點火。火箭迅速加速到超音速，同時開始爬升機動。最大氣動壓力在點火后大約30 秒出現。在大約15～20 秒時，火箭降低攻角，進入相對平緩的彈道。一級分離后不久，火箭二級點火，當氣動壓力和氣動加熱下降到允許程度時，拋掉整流罩。在脫離載機后大約121 秒，火箭抵達大約112 千米高度二級關機，火箭進入滑行狀態，第三級火箭和有效載荷達到預定軌道高度。

從載機上釋放后，“飛馬座”就要進入自主飛行狀態，完全依靠自己來實現姿態控制。這個過程分成兩個階段，第一級采用指令控制下的程序飛行，第二級、第三級采用自適應算法制導 。

一旦飛行中出現意外，就需要炸毀火箭、中止飛行，以免它落入居民區。所以，“飛馬座”上裝有“飛行終止系統”（FTS），可以在地面指令下控制火箭自毀。

如果發生特殊情況，載機可以帶著“飛馬座”，在30 分鐘內返回機場。然后，工作人員要在24 小時內解除火箭的發射狀態。在應急降落的機場，只能為衛星提供最低限度的支持服務。對于有些衛星來說，業主需要告知星上電池能續航多久，以便及時采取行動。

在“飛馬座”XL 飛行任務中，絕大多數實現了30 千米以內的軌道高度誤差，傾角誤差小于0.05 度。★