王馨野 曲晶 張綠云（北京航天長(zhǎng)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(yùn)載火箭進(jìn)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(jìn)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(guó)國(guó)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(lái)自美國(guó)不同大學(xué)，1 顆來(lái)自NASA，目的是執(zhí)行科學(xué)技術(shù)驗(yàn)證。名為“宇宙女孩”（Cosmic Girl）的波音747 載機(jī)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(jī)在加州南部海岸飛越太平洋上空，飛行高度約35000ft（約10500m）時(shí)，載機(jī)于14：39 左右投放火箭。其后，一子級(jí)牛頓－3（Newton－3）發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作3min，隨后一子級(jí)分離，二子級(jí)牛頓－4 發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作近6min。在46min 的滑行后，牛頓－4發(fā)動(dòng)機(jī)重新點(diǎn)火工作，進(jìn)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(yùn)輸機(jī)改裝的“宇宙女孩”及發(fā)射器－1 運(yùn)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(yáng)同步軌道（SSO）和低地球軌道（LEO）運(yùn)載能力分別為300kg 和500kg，發(fā)射成本約1200 萬(wàn)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(jí)空射運(yùn)載火箭，由一子級(jí)、二子級(jí)和整流罩組成，全長(zhǎng)21.2m，質(zhì)量30t。一、二子級(jí)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(jì)、試驗(yàn)和生產(chǎn)的牛頓－3 和牛頓－4 液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。與牛頓－1 和牛頓－2 較為簡(jiǎn)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(shí)長(zhǎng)分別為180s 和360s。其中，一子級(jí)的自主飛行安全系統(tǒng)（AFSS）為牛頓－3 發(fā)動(dòng)機(jī)提供推力終止，二子級(jí)牛頓－4 發(fā)動(dòng)機(jī)具備多次啟動(dòng)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(jìn)波音747－400飛機(jī)作為專用載機(jī)，這架飛機(jī)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(duì)波音747 進(jìn)行全面的檢修。結(jié)構(gòu)改進(jìn)主要是在左舷內(nèi)側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)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(jī)翼；更新了電力和通信系統(tǒng)，得到了美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）的實(shí)驗(yàn)性適航證；完成了系列試驗(yàn)?；鸺诩s10.7km 的高空脫離載機(jī)，以把衛(wèi)星送入軌道。在發(fā)射過(guò)程中，載機(jī)負(fù)責(zé)提供電力、凈化氣體、健康監(jiān)測(cè)以及箭體控制。

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

鏈接：美國(guó)其他空射運(yùn)載火箭發(fā)展現(xiàn)狀

縱觀近年來(lái)美國(guó)空射運(yùn)載火箭的發(fā)展，有的已黯然退出空射運(yùn)載領(lǐng)域，也有新加入的成員。2020 年最受人矚目的當(dāng)屬美國(guó)創(chuàng)企時(shí)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(wú)人機(jī)—“烏鴉X”（Ravn X）。該無(wú)人機(jī)將能夠每180min 攜帶一個(gè)新的有效載荷進(jìn)入軌道。與發(fā)射器－1 相比，Aevum 公司采用的是一個(gè)完全自主的系統(tǒng)，不需要飛行員或高昂的發(fā)射臺(tái)就可以到達(dá)近地軌道。該系統(tǒng)還需1 年半的時(shí)間準(zhǔn)備就緒，第一個(gè)客戶已確定為美國(guó)太空部隊(duì)，預(yù)計(jì)進(jìn)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(yùn)營(yíng)的空射運(yùn)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(jī)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(lái)基本上未攬到業(yè)務(wù)。原本NASA 對(duì)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(shí)了其對(duì)新型空射運(yùn)載火箭的信任與支持，另外也證實(shí)了傳統(tǒng)空射火箭面臨的窘境。

“空中發(fā)射輔助太空進(jìn)入”（ALASA）計(jì)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(jī)場(chǎng)進(jìn)入太空的能力，但最終由于動(dòng)力系統(tǒng)的安全性存在風(fēng)險(xiǎn)于2015 年底取消。

“平流層”（Stratolaunch）空射火箭系統(tǒng)的巨型載機(jī)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(jī)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(wú)需為發(fā)射任務(wù)建造固定發(fā)射平臺(tái)和其他地面輔助設(shè)施，而是由可移動(dòng)設(shè)施設(shè)備組成，包括一組推進(jìn)劑加注設(shè)施、有效載荷服務(wù)拖車、用于收集與傳輸遙測(cè)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(diǎn)為5 個(gè)，分別是美國(guó)加利福尼亞州莫哈韋航空航天港、佛羅里達(dá)州發(fā)射著陸場(chǎng)（LLF），日本關(guān)島安德森空軍基地（Andersen AFB）和大分機(jī)場(chǎng)（OIT），英國(guó)康沃爾航天港（Cornwall Space Port）。其中，大傾角發(fā)射服務(wù)在美國(guó)莫哈韋航空航天港進(jìn)行，低傾角和中傾角發(fā)射服務(wù)在日本關(guān)島進(jìn)行。這兩個(gè)地點(diǎn)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(guó)。2020 年4 月，維珍軌道公司表示將日本大分機(jī)場(chǎng)選為潛在發(fā)射場(chǎng)，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(guó)際航空航天展覽會(huì)上簽署了在英國(guó)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(yǔ)

此次發(fā)射器－1 發(fā)射成功，標(biāo)志著該火箭正式投入使用。

一方面，作為低成本專屬小型運(yùn)載火箭，發(fā)射器－1 未來(lái)可有效填補(bǔ)小衛(wèi)星發(fā)射能力的不足。目前，基于專用小型運(yùn)載火箭的缺乏和預(yù)算受限等原因，小衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商通常采用“一箭多星”、搭載等發(fā)射方式。但由于會(huì)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(yùn)營(yíng)商很難找到合適的發(fā)射機(jī)會(huì)。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(wàn)美元的發(fā)射價(jià)格遠(yuǎn)低于飛馬座－XL 空射火箭的5630 萬(wàn)美元，未來(lái)還可借助高密度發(fā)射實(shí)現(xiàn)成本的進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)化，并提高發(fā)射頻率，以其500kg 的運(yùn)載能力通過(guò)專享或拼單方式，滿足用戶的發(fā)射需求，進(jìn)而填補(bǔ)小衛(wèi)星發(fā)射能力的不足。

另一方面，由于空射運(yùn)載火箭系統(tǒng)具備機(jī)動(dòng)性和靈活性，發(fā)射器－1 未來(lái)可成為支持快速響應(yīng)進(jìn)入空間的重要途徑。發(fā)射器－1 不受固定發(fā)射臺(tái)的約束，可以從全球不同的機(jī)場(chǎng)起飛，無(wú)需過(guò)多考慮發(fā)射場(chǎng)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(jī)動(dòng)性和靈活性，未來(lái)有望將星座部署時(shí)間降低至數(shù)小時(shí)。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)獲得美國(guó)空軍的青睞，2020 年9 月為美國(guó)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(jì)劃”（RSLP）下的軌道服務(wù)計(jì)劃－4（OSP－4）載荷的首個(gè)發(fā)射合同，將為空軍發(fā)射44 顆小衛(wèi)星。未來(lái)，該系統(tǒng)有望在其專門為國(guó)防安全衛(wèi)星發(fā)射而成立的VOX 空間公司的運(yùn)營(yíng)下，爭(zhēng)取到更多的軍用發(fā)射合同，實(shí)現(xiàn)軍用小衛(wèi)星的快速發(fā)射和組網(wǎng)補(bǔ)網(wǎng)，快速提供針對(duì)戰(zhàn)役和戰(zhàn)術(shù)任務(wù)的戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)、監(jiān)視與偵察（ISR）、部隊(duì)移動(dòng)中通信、氣象監(jiān)測(cè)、定位、導(dǎo)航等方面的信息支援與保障。