美國兩型空射運載火箭的對比與分析

劉琳（北京宇航系統工程研究所）

飛馬座－XL火箭

運載器－1火箭

提到空射運載火箭，就不能不說到“飛馬座”（Pegasus）系列空射運載火箭。從1990年開始服役至今，累計執行了44次飛行任務，卻始終保持著世界唯一從事商業服務的入軌級空射運載火箭的記錄。直到2021年，維珍軌道公司（Virgin Orbit）的運載器－1（Launcher One）火箭飛行成功，成為全球第二型空射運載火箭，改寫了世界航天史。

1 歷史意義

無論是飛馬座－XL火箭還是運載器－1火箭，都對航天史具有非常重要的意義。

2019年10月10日，美國諾格公司（Northrop Grumman）的飛馬座－XL火箭成功為美國國家航空航天局（NASA）發射電離層連接探測器（ICON）衛星。這次發射是“飛馬座”系列空射運載火箭的第44次飛行任務。自1990年4月5日首次飛行，“飛馬座”空射運載火箭在之后的30年內創造并保持了多項歷史記錄：①世界上第一個私人開發的空射運載火箭；②第一個加速到8倍音速的帶翼飛行器；③首個使用飛機作為吸氣式可重復使用的第一級的空射系統。

直到31年后，運載器－1火箭改寫了空射火箭的歷史：2021年1月17日，美國維珍軌道公司采用運載器－1火箭,搭載波音747-400改進型（命名為“宇宙女孩”）飛機發射升空，成功將美國國家航空航天局“發射服務項目”（LSP）的10個有效載荷送入太空。這是維珍軌道公司實施的第二次發射，也是運載器－1火箭的首次成功飛行。其成為全球第二型空射運載火箭，也是世界上的首枚空射液體火箭。

2 火箭基本布局

差異性分析

兩型火箭在基本布局上的主要差別在于三角翼的選擇，飛馬座－XL火箭選擇帶三角翼，是因為其設計模仿了同時期的X－15飛行器，采用了幾乎相同的火箭長度以及翼形；而運載器－1火箭采用大傾角發射和液體動力等技術方案，降低了對火箭控制力的需求，從而取消了三角翼，使得火箭布局更為簡潔。

飛馬座－XL空射火箭

飛馬座-XL空射運載火箭起飛質量為23130kg，全長為16.939m，直徑為1.27m，整體外形是一個帶三角翼的飛行器。三角翼的翼展為6.7m，用于在Ma為1.8～3.0的飛行爬升段為火箭提供升力。三角翼安裝在一級發動機上，同時也是火箭與載機的主要連接結構。火箭的尾段安裝有3個尾舵，包括一個垂直尾舵和兩個水平尾舵，水平尾舵呈23°向下傾斜安裝，兩翼展間寬度4.02m。

運載器－1空射火箭

運載器－1空射運載火箭全長21.34m，典型狀態的最大起飛質量為25.9t，一子級外徑1.8m，采用復合材料結構，通過自主飛行安全系統（AFSS）控制一級發動機燃燒和終止；二子級外徑1.5m，采用復合材料結構；一級飛行段的最大飛行速度約3576m/s，二級飛行段的最大飛行速度約7823m/s。運載器-1火箭外形較為簡潔，為軸對稱旋成體，僅在尾段部分增加了X型布局的尾翼。

飛馬座－XL空射火箭俯視圖

運載器－1空射火箭示意圖

3 動力與飛行程序

差異性分析

兩型火箭最大的差異在于動力選擇不同，飛馬座－XL火箭為全固體動力形式，只在特定任務時選配液體輔助動力系統（HAPS），而運載器－1火箭為全液體動力形式。相對而言，空射火箭采用液體動力形式更為復雜，需要解決推進劑蒸發以及一級點火等問題，運載器-1火箭在箭體尾翼附近，安裝有兩臺沉降推進器，用于實現一級發動機的水平空中點火。

不同的動力形式也帶來飛行程序差異，相比而言，飛馬座-XL火箭的飛行時間僅為運載器－1火箭的六分之一，體現了固體火箭更為卓越的快速響應特性。

兩型空射火箭動力性能對比

“飛馬座”火箭第43次任務飛行程序

飛馬座－XL火箭

飛馬座－XL火箭從機箭分離到星箭分離，飛行時間約為10min。以“飛馬座”火箭第43次發射任務為例，飛馬座－XL火箭搭載L－1011三星飛機攜帶至大西洋上空約12.4km的高空，火箭釋放后自由落體5s，然后點燃一級發動機，之后按照飛行程序飛行。

運載器－1火箭

運載器－1火箭此次任務的飛行時間約為55min30s，主要飛行程序是：“宇宙女孩”載機攜帶運載器－1火箭飛到海洋上空10.7km處，飛機進入爬升程序后釋放火箭，5s以后，一級發動機點火，工作3min，隨后一級發動機關機、一二級分離、二級發動機點火，二級發動機工作6min后關機，火箭滑行46min，然后二級發動機第二次點火，工作5s，將有效載荷送入高度500km軌道。同時，為了避免發射高軌道衛星時出現的火箭部段長期滯留軌道的問題，運載器－1火箭對在625km以上的火箭部段實施離軌處理，即采用二級發動機的第三次點火，實現對空間環境的保護。

運載器－1火箭飛行程序

4 發射場選擇

差異性分析

兩型火箭在發射場的選擇上有所不同：飛馬座－XL火箭在美國本土和海外都有發射場，運載器－1火箭主要使用海外發射場，究其原因有：①美國聯邦航空局（FAA）沒有批準使用如佛羅里達、弗吉尼亞等發射場執行747飛機（“宇宙女孩”載機）的商業飛行業務；②美國東西部發射場任務量密集，難以承接運載器－1火箭的發射任務；③運載器－1火箭致力于拓展國際發射任務，且其地面支持設備更便捷。

飛馬座－XL火箭

飛馬座－XL空射運載火箭已經從美國、歐洲和馬紹爾群島的5個不同地點發射。包括加利福尼亞、弗吉尼亞、佛羅里達、加那利群島和馬紹爾群島的夸賈林環礁。

飛馬座－XL火箭的發射場選擇

運載器－1火箭

運載器－1火箭目前計劃在美國加州的莫哈韋航空航天港（MHV）進行高傾角軌道發射任務，在關島進行中低軌道傾角發射任務，未來還可能選擇的發射場包括：預計在2022年投入使用的英國紐基康沃爾機場（NQY），以及日本大分機場（OIT）。同時，為了便于開展海外發射任務，運載器－1火箭的地面支持設備都為車載方案，采用6臺拖車實現機箭匹配、燃料加注、有效載荷轉運貯存等功能，所有設備都可以通過車載或者機載方式進行周轉。

5 結束語

綜上所述，盡管“飛馬座”火箭和運載器－1火箭都是空射運載火箭，但是在外形布局、動力形式、飛行程序以及發射場地選擇等主要技術方案上卻截然不同。究其原因，是源于他們不同的設計理念，“飛馬座”火箭用于實現對空中發射運載技術的突破，并主要服務于美國軍方；而運載器－1火箭則通過采用新技術，降低發射成本，致力于在小衛星商業發射市場占據一席之地。不同的時代成就了不同的空射運載火箭，改變了發射領域游戲規則的同時，也終將改變我們的生活。