發射器-1成功實現首次入軌發射

王馨野 曲晶 張綠云（北京航天長征科技信息研究所）

2021 年1 月17 日發射器－1 第二次發射

1 任務情況

2021 年1 月17 日， 維 珍 軌 道 公 司（Virgin Orbit）發射器－1（LauncherOne）空射運載火箭進行了第二次發射，成功將10 顆立方體衛星送入預定軌道。繼2020 年5 月首飛因液氧推進劑管道破裂而失敗后，這是發射器－1 首次成功完成衛星入軌發射。

此次任務攜帶的10 顆立方體衛星總質量為115kg，屬于美國國家航空航天局（NASA）“教育發射納米20”（ELaNa 20）任務，其中，9 顆來自美國不同大學，1 顆來自NASA，目的是執行科學技術驗證。名為“宇宙女孩”（Cosmic Girl）的波音747 載機于1 月17 日13：38 搭載發射器－1 火箭從加利福尼亞州的莫哈韋航空航天港（MHV）起飛。飛機在加州南部海岸飛越太平洋上空，飛行高度約35000ft（約10500m）時，載機于14：39 左右投放火箭。其后，一子級牛頓－3（Newton－3）發動機點火工作3min，隨后一子級分離，二子級牛頓－4 發動機點火工作近6min。在46min 的滑行后，牛頓－4發動機重新點火工作，進行了5s 的燃燒，隨后將有效載荷部署到大約500km 高的軌道上，第二次發射任務成功完成。

2 空射系統

發射器－1 空射系統

發射器－1 空射系統由波音747－400 運輸機改裝的“宇宙女孩”及發射器－1 運載火箭組成，于2018 年6 月29 日獲得首次軌道發射許可證，太陽同步軌道（SSO）和低地球軌道（LEO）運載能力分別為300kg 和500kg，發射成本約1200 萬美元，可為全球商業用戶提供快速、可靠、靈活、低成本的小衛星發射服務。

發射器－1 為兩級空射運載火箭，由一子級、二子級和整流罩組成，全長21.2m，質量30t。一、二子級全為碳復合材料結構，直徑分別為1.8m 和1.5m，分別采用公司自行設計、試驗和生產的牛頓－3 和牛頓－4 液氧/煤油發動機。與牛頓－1 和牛頓－2 較為簡單的擠壓式不同，牛頓－3 和牛頓－4 均采用泵壓輸送系統，推力分別為327kN 和22kN，工作時長分別為180s 和360s。其中，一子級的自主飛行安全系統（AFSS）為牛頓－3 發動機提供推力終止，二子級牛頓－4 發動機具備多次啟動能力。

發射器－1 火箭結構

發射器－1 火箭

2015 年底，維珍軌道公司決定改進波音747－400飛機作為專用載機，這架飛機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波音747 進行全面的檢修。結構改進主要是在左舷內側發動機和機體之間安裝了掛架，用于掛載發射器－1 火箭，并加固了左機翼；更新了電力和通信系統，得到了美國聯邦航空管理局（FAA）的實驗性適航證；完成了系列試驗。火箭要在約10.7km 的高空脫離載機，以把衛星送入軌道。在發射過程中，載機負責提供電力、凈化氣體、健康監測以及箭體控制。

發射器－1 安裝到改裝后的波音747 載機“宇宙女孩”上（來源：Virgin Orbit）

鏈接：美國其他空射運載火箭發展現狀

縱觀近年來美國空射運載火箭的發展，有的已黯然退出空射運載領域，也有新加入的成員。2020 年最受人矚目的當屬美國創企時代公司（Aevum），該公司于2020 年12 月發布了世界上第一架衛星發射無人機—“烏鴉X”（Ravn X）。該無人機將能夠每180min 攜帶一個新的有效載荷進入軌道。與發射器－1 相比，Aevum 公司采用的是一個完全自主的系統，不需要飛行員或高昂的發射臺就可以到達近地軌道。該系統還需1 年半的時間準備就緒，第一個客戶已確定為美國太空部隊，預計進行ASLON－45 小型衛星發射任務。

曾經是世界上唯一的投入商業運營的空射運載火箭“飛馬座”（Pegasus）已完成44 次任務，將80 余顆衛星發射升空。第44 次也是2019 年10月L－1011 載機與飛馬座－XL 火箭組合發射清單上的最后一飛。而除此之外，“飛馬座”近年來基本上未攬到業務。原本NASA 對小型科學載荷的發射很多都是依靠“飛馬座”空射火箭，而這次發射器－1 攜帶的10 顆NASA 小衛星任務一方面證實了其對新型空射運載火箭的信任與支持，另外也證實了傳統空射火箭面臨的窘境。

“空中發射輔助太空進入”（ALASA）計劃也是以開發一種小型衛星發射系統為目的，使美軍具備24h 內從全球任意常規機場進入太空的能力，但最終由于動力系統的安全性存在風險于2015 年底取消。

“平流層”（Stratolaunch）空射火箭系統的巨型載機在2019 年4 月做了一次試飛后，平流層發射公司（Stratolaunch）于2020 年3 月表示其正在研發一款由巨型載機發射的可重復使用高超音速飛行器，有意轉向高超音速飛行技術研究。

發射設施

與傳統的發射方式不同，該系統無需為發射任務建造固定發射平臺和其他地面輔助設施，而是由可移動設施設備組成，包括一組推進劑加注設施、有效載荷服務拖車、用于收集與傳輸遙測信息的地面站，以及發射控制中心。

截至2021 年1 月底，官方公布的全球發射地點為5 個，分別是美國加利福尼亞州莫哈韋航空航天港、佛羅里達州發射著陸場（LLF），日本關島安德森空軍基地（Andersen AFB）和大分機場（OIT），英國康沃爾航天港（Cornwall Space Port）。其中，大傾角發射服務在美國莫哈韋航空航天港進行，低傾角和中傾角發射服務在日本關島進行。這兩個地點都是FAA 許可的航天港，用于可重復使用飛行器的商業發射。維珍軌道公司還將把小型衛星的靈活發射引入全球空間港網絡和世界各國。2020 年4 月，維珍軌道公司表示將日本大分機場選為潛在發射場，最快2022 年開始用于發射服務。此外，2018 年7 月，該公司在范堡羅國際航空航天展覽會上簽署了在英國康沃爾航天港開展發射器－1 發射業務的協議。

3 結語

此次發射器－1 發射成功，標志著該火箭正式投入使用。

一方面，作為低成本專屬小型運載火箭，發射器－1 未來可有效填補小衛星發射能力的不足。目前，基于專用小型運載火箭的缺乏和預算受限等原因，小衛星運營商通常采用“一箭多星”、搭載等發射方式。但由于會受到主星或其他衛星的發射安排及其軌道和入軌精度等方面的限制，中低軌道小衛星運營商很難找到合適的發射機會。而作為一家空射發射服務公司，維珍軌道公司致力于降低發射成本，其1200 萬美元的發射價格遠低于飛馬座－XL 空射火箭的5630 萬美元，未來還可借助高密度發射實現成本的進一步降低。此外，該公司秉承按需發射理念，將發射服務流程化、標準化，并提高發射頻率，以其500kg 的運載能力通過專享或拼單方式，滿足用戶的發射需求，進而填補小衛星發射能力的不足。

另一方面，由于空射運載火箭系統具備機動性和靈活性，發射器－1 未來可成為支持快速響應進入空間的重要途徑。發射器－1 不受固定發射臺的約束，可以從全球不同的機場起飛，無需過多考慮發射場區和落區安全，可用發射窗口和傾角范圍選擇性大，發射服務流程化，加上年12 ～24 枚火箭的制造和組裝能力，系統具備良好的機動性和靈活性，未來有望將星座部署時間降低至數小時。目前，該系統已經獲得美國空軍的青睞，2020 年9 月為美國太空司令部（USSPACECOM）發射了一顆關鍵衛星，完成快速響應模擬發射；同年4 月獲得其“火箭系統發射計劃”（RSLP）下的軌道服務計劃－4（OSP－4）載荷的首個發射合同，將為空軍發射44 顆小衛星。未來，該系統有望在其專門為國防安全衛星發射而成立的VOX 空間公司的運營下，爭取到更多的軍用發射合同，實現軍用小衛星的快速發射和組網補網，快速提供針對戰役和戰術任務的戰場情報、監視與偵察（ISR）、部隊移動中通信、氣象監測、定位、導航等方面的信息支援與保障。