“运载器一号”成功发射：空射火箭，到底行不行？

文/ 松堂

▲ “宇宙少女号”从空中释放“运载器一号”

2021 年1 月18 日，维珍轨道公司的运载器一号火箭第二次发射终于取得成功，把美国宇航局的10 颗立方体卫星送入轨道，这一成功再次把人们的目光吸引到了空射火箭身上。空射火箭一直是航天发射的小众市场，按照拥护者们的理念，空中发射能让火箭具有一定的初速和高度，可以节省燃料，提高运载能力，还能自由选择发射角度。反对者则指出，空中发射火箭的大小受到飞机运载能力的限制，只能打小卫星。而且飞机的飞行也是需要成本的，不见得比地面起飞的火箭更划算。

下面，我们就努力为大家寻找其中的行与不行。

“运载器一号”的技术选择

维珍轨道公司运载器一号火箭的成功，打破了空射火箭市场上飞马座火箭一枝独秀的局面，而维珍轨道的发起人正是太空旅游公司维珍银河的老板布兰森。

运载器一号火箭选用了世界上最大的民航飞机波音747-400 来充当空中发射平台，采用下单翼吊挂方式。因为飞机本身离地间隙大，运载能力强，可以携带一枚大一些的火箭，向500千米太阳同步轨道的发射能力达到300千克，比飞马座火箭的260 千克大了不少。

这样的选择也和发起人布兰森的身份有关。他是经营廉价航空维珍航空公司出身，有海外旅行经验的读者可能还乘坐过他的飞机，所以布兰森在机型选择上有更大的余地。波音747 虽然正在退役，但依然在飞的为数不少，布兰森弄来一架很容易。相对于制造新飞机，波音747 日常维修保养的成本不高，没有发射任务的时候，这架飞机还能用来承担货运任务，非常划算。

运载器一号火箭吊挂在飞机的左翼下面，这与飞马座的选择相同。因为波音747 体型更大，所以保持平稳飞行的能力也更强，但是可以合理推测，布兰森可能有更多想法。波音747-400的最大起飞重量近400 吨，最大可以装载200 吨的燃油，但是作为空中发射平台，不需要装满燃油才起飞，因此实际载重可以更大。那么如果今后有更多发射任务，是不是可以在右翼下再吊一枚火箭呢？如果能做到，这将是航天史上的一大创举。

“运载器一号”作为空射火箭还有一个重大的创举，就是采用了液氧煤油发动机。这为火箭设计和实际操作带来了很大风险和困难，也导致了它第一次飞行失败。

作为空中发射，当然是希望到机场后的准备工作越简单越好，所以固体火箭发动机是首选。但是液氧煤油发动机的比冲更大、运载能力更强。而且这里还有个竞争与垄断的问题，诺斯罗普-格鲁曼是美国唯一有能力生产大直径固体发动机的企业，维珍轨道公司就算肯出钱，诺斯罗普-格鲁曼也不一定肯把发动机卖给它。万一在发射准备的关键阶段被卡了脖子，那可如何是好。所以“运载器一号”的研制团队宁可面对技术风险，也不愿意把命运交到别人手里。

液氧煤油燃料的获取并不困难，机场的油库里就有取之不尽的航空煤油，制备液氧的设备也不算什么高技术产品，至于原料，那不就是空气吗？但是空射火箭的液氧煤油发动机有个很大的困难，就是发射姿态和传统火箭不同，燃料供给系统需要重新设计。从地面起飞的传统火箭，燃料在重力和压力气体的作用下，可以比较顺利地进入燃料泵、再喷入发动机，在起飞前，火箭也是保持静止的。但是“运载器一号”在起飞前需要经受飞机飞行和气流冲击的振动，脱离载机时的角度只有27.5 度，这已经是波音747 所能达到的最大仰角了，再向上扬飞机的结构可能会支撑不住。目前还不知道“运载器一号”采用了什么具体方式来保证燃料系统正常工作，目前看来是可以正常工作的。这也为后续其他空射火箭型号采用液体燃料提供了信心。

▲ 理查德·布兰森（Richard Branson）在加利福尼亚的维珍轨道公司

既然是下单翼限制了火箭尺寸，为什么不把火箭放在机翼上面呢？因为火箭并不是点火后自己飞离载机的，那样火焰会把飞机的外壳烧坏。军用飞机在投掷大型导弹的时候，也会采用先扔下去，让导弹远离机身再点火的方式。

飞行程序

▲ “运载器一号”采用液体发动机

▲ “宇宙少女号”准备起飞

▲ “运载器一号”的飞行程序

绰号“宇宙少女”的波音747-400带着装好燃料及有效载荷的“运载器一号”从机场起飞，进入无人居住的海上发射走廊，抵达大约10500 米高度的海洋上方，然后以27.5 度的仰角把火箭甩出去。大约5 秒后火箭点火。一级火箭大约工作3 分钟，经过短暂滑行后二级点火，飞行期间抛整流罩，继续上升，将有效载荷运送到低转移轨道（对于非直接入轨任务）。

在滑行期间，为了实现被动热控制，火箭要以每分钟0.1 周的速度绕轴心自转。抵达远地点后，火箭要进行轨道修正推进，把有效载荷精确送入目标轨道。对于轨道高度在625 千米以上的飞行任务，二级火箭还要继续喷射，经过90 分钟的飞行，进入预定轨道后，与载荷分离。

有效载荷处理流程

按照维珍轨道公司的设想，卫星可以在发射前30 天抵达发射场。但是如果客户需要，这个过程还可以缩短。用户可以把卫星存放在自己设施里，保持待发状态。

“运载器一号”的主发射场是美国加州莫哈维沙漠中的航天港，理论上也可以从美国大陆的其他机场起飞。如果是从莫哈维起飞，大概的准备流程是这样的：

1.卫星送达加利福尼亚州长滩超净间。维珍轨道公司将客户装箱的硬件和相关地面检查设备放置在指定的工作区域，并根据需要提供开箱/包装支持。

2.航天器独立处理和最终准备（在长滩）。客户完成航天器的独立验证，并进行最终飞行准备，如清洁太阳能电池板和拆除盖子/插销，必要时由维珍轨道公司提供人力协助搬运，或使用超净间中的其他设备。

3.将卫星与分离系统、其他有效载荷适配器对接，保持垂直状态。

4.整流罩封装（在长滩进行）。卫星、分离系统封装在有效载荷整流罩内，然后倾倒成水平位置以便运输。

5.运输至太空港。内装卫星的整流罩通过卡车运输至太空港。卡车车厢里配有ISO 8 洁净室，在运输过程中提供温湿度受控的正压环境。

6.星箭结合。将整流罩与火箭结合在一起，保持水平方向。

▲ “运载器一号”的整流罩内部尺寸

▲ “运载器一号”挂在波音747 左翼下

7.推迟发射的操作。一般情况下不会推迟发射，但是如果用户任务必须推迟，可以调整发射时间。

发射地点

运载器一号火箭从理论上说是不依赖具体发射场就能使用的，特别是不需要使用美国政府拥有的航天发射场，因此在发射排期上会比较自由。如果某些发射场的日程排满或天气不好、测控雷达存在问题、落区安全无法保证，“运载器一号”可以选择其他机场起飞。如今美国东西海岸的发射场日益繁忙，无论范登堡基地还是卡纳维拉尔角基地都忙得不行，维珍轨道公司的设想还是有吸引力的。

按照设计，向大倾角轨道发射时，从莫哈维机场起飞。向中倾角轨道发射时从佛罗里达州起飞，低倾角发射可以从太平洋岛屿上起飞。

第二次发射的情况

2021 年1 月18 日，维珍轨道公司的运载器一号火箭第二次发射终于取得成功，把美国宇航局的10 颗立方体卫星送入轨道，这为公司的商业运营做好了准备。

▲ “运载器一号”和载机的参数

▲ 运载器一号火箭

当天上午10:38，波音747-400 飞机从莫哈维航空航天港起飞，向西飞行，然后转向南，穿越加州中部海岸后，飞机向上爬升，达到了超过25 度的仰角，在10700 米左右高度放飞了火箭。当时是当地上午11:39，发射地点位于太平洋上空。5 秒钟后，火箭发动机的燃料泵，在太平洋上空向东南方向加速，燃烧3 分钟后，把火箭推出大气层。

一级脱离后，二级火箭经过6 分钟燃烧，把载荷送入转移轨道。飞越南极洲后，二级再次开机，进入500 千米高的预定轨道，释放了卫星。两个小时后，维珍轨道公司确认发射成功。

“运载器一号”上次任务失败是因为一级火箭液氧管破裂导致的，这次的改进措施显然生效了。

本次发射的10 颗卫星分别是：

CACTUS-1–马里兰州劳雷尔市首都科技大学的3U 立方体卫星。

CAPE-3——路易斯安那大学拉斐特分校的智能手机立方体卫星。

EXOCUBE-2——加利福尼亚理工大学的3U 立方体气象和外大气层研究卫星。

MITE–密歇根大学的两个立方体卫星任务，旨在开发部署微小绳系卫星的能力。

PICS——百翰青年大学的双星，用于演示航天器检查、维护和组装能力。

PolarCube——科罗拉多大学博尔德分校的小型辐射计卫星。

Q-PACE——中佛罗里达大学的长期微重力实验卫星。

RadFXSat-2–田纳西州纳什维尔范德比尔特大学微卫星，研究空间辐射对特定类型静态随机存取存储器的影响。

TechEdSat-7——美国宇航局阿姆斯研究中心的技术实验卫星。

维珍轨道公司在发射成功后的一份声明中说：“通过这一成功的展示，维珍轨道公司将正式过渡到商业服务领域，期待着下一次任务。”

目前，维珍轨道公司已经拿到了美国天军、英国空军、美国Swarm Technologies 公司、意大利SITAEL 公司和丹麦GOMSOLL 公司等用户的发射合同。除了在加利福尼亚州莫哈维的主要发射基地外，维珍轨道公司还计划从关岛发射，并正在研究从英国和世界其他地点发射。

▲ 宇宙少女号空射火箭平台与运载器一号空射火箭

“运载器一号”的飞行成功，似乎让人们对空射火箭的未来有了更强的信心。但是从目前来看，空射火箭的成本还是比地面起飞火箭要高。有消息说，“运载器一号”每次飞行的价格达到1500 万美元，折合到每千克的成本还是比地面起飞的大型火箭贵不少。当然，空射火箭可以用灵活性好、适应性强作为卖点。如果发射频率提高上去，或许也能压低价格，实现更强的市场竞争力。布兰森能不能像经营维珍航空一样，把维珍轨道变成“廉价航天”，我们不妨继续观察。★

▲ 准备中的“宇宙少女号”