美国两型空射运载火箭的对比与分析

刘琳（北京宇航系统工程研究所）

飞马座－XL火箭

运载器－1火箭

提到空射运载火箭，就不能不说到“飞马座”（Pegasus）系列空射运载火箭。从1990年开始服役至今，累计执行了44次飞行任务，却始终保持着世界唯一从事商业服务的入轨级空射运载火箭的记录。直到2021年，维珍轨道公司（Virgin Orbit）的运载器－1（Launcher One）火箭飞行成功，成为全球第二型空射运载火箭，改写了世界航天史。

1 历史意义

无论是飞马座－XL火箭还是运载器－1火箭，都对航天史具有非常重要的意义。

2019年10月10日，美国诺格公司（Northrop Grumman）的飞马座－XL火箭成功为美国国家航空航天局（NASA）发射电离层连接探测器（ICON）卫星。这次发射是“飞马座”系列空射运载火箭的第44次飞行任务。自1990年4月5日首次飞行，“飞马座”空射运载火箭在之后的30年内创造并保持了多项历史记录：①世界上第一个私人开发的空射运载火箭；②第一个加速到8倍音速的带翼飞行器；③首个使用飞机作为吸气式可重复使用的第一级的空射系统。

直到31年后，运载器－1火箭改写了空射火箭的历史：2021年1月17日，美国维珍轨道公司采用运载器－1火箭,搭载波音747-400改进型（命名为“宇宙女孩”）飞机发射升空，成功将美国国家航空航天局“发射服务项目”（LSP）的10个有效载荷送入太空。这是维珍轨道公司实施的第二次发射，也是运载器－1火箭的首次成功飞行。其成为全球第二型空射运载火箭，也是世界上的首枚空射液体火箭。

2 火箭基本布局

差异性分析

两型火箭在基本布局上的主要差别在于三角翼的选择，飞马座－XL火箭选择带三角翼，是因为其设计模仿了同时期的X－15飞行器，采用了几乎相同的火箭长度以及翼形；而运载器－1火箭采用大倾角发射和液体动力等技术方案，降低了对火箭控制力的需求，从而取消了三角翼，使得火箭布局更为简洁。

飞马座－XL空射火箭

飞马座-XL空射运载火箭起飞质量为23130kg，全长为16.939m，直径为1.27m，整体外形是一个带三角翼的飞行器。三角翼的翼展为6.7m，用于在Ma为1.8～3.0的飞行爬升段为火箭提供升力。三角翼安装在一级发动机上，同时也是火箭与载机的主要连接结构。火箭的尾段安装有3个尾舵，包括一个垂直尾舵和两个水平尾舵，水平尾舵呈23°向下倾斜安装，两翼展间宽度4.02m。

运载器－1空射火箭

运载器－1空射运载火箭全长21.34m，典型状态的最大起飞质量为25.9t，一子级外径1.8m，采用复合材料结构，通过自主飞行安全系统（AFSS）控制一级发动机燃烧和终止；二子级外径1.5m，采用复合材料结构；一级飞行段的最大飞行速度约3576m/s，二级飞行段的最大飞行速度约7823m/s。运载器-1火箭外形较为简洁，为轴对称旋成体，仅在尾段部分增加了X型布局的尾翼。

飞马座－XL空射火箭俯视图

运载器－1空射火箭示意图

3 动力与飞行程序

差异性分析

两型火箭最大的差异在于动力选择不同，飞马座－XL火箭为全固体动力形式，只在特定任务时选配液体辅助动力系统（HAPS），而运载器－1火箭为全液体动力形式。相对而言，空射火箭采用液体动力形式更为复杂，需要解决推进剂蒸发以及一级点火等问题，运载器-1火箭在箭体尾翼附近，安装有两台沉降推进器，用于实现一级发动机的水平空中点火。

不同的动力形式也带来飞行程序差异，相比而言，飞马座-XL火箭的飞行时间仅为运载器－1火箭的六分之一，体现了固体火箭更为卓越的快速响应特性。

两型空射火箭动力性能对比

“飞马座”火箭第43次任务飞行程序

飞马座－XL火箭

飞马座－XL火箭从机箭分离到星箭分离，飞行时间约为10min。以“飞马座”火箭第43次发射任务为例，飞马座－XL火箭搭载L－1011三星飞机携带至大西洋上空约12.4km的高空，火箭释放后自由落体5s，然后点燃一级发动机，之后按照飞行程序飞行。

运载器－1火箭

运载器－1火箭此次任务的飞行时间约为55min30s，主要飞行程序是：“宇宙女孩”载机携带运载器－1火箭飞到海洋上空10.7km处，飞机进入爬升程序后释放火箭，5s以后，一级发动机点火，工作3min，随后一级发动机关机、一二级分离、二级发动机点火，二级发动机工作6min后关机，火箭滑行46min，然后二级发动机第二次点火，工作5s，将有效载荷送入高度500km轨道。同时，为了避免发射高轨道卫星时出现的火箭部段长期滞留轨道的问题，运载器－1火箭对在625km以上的火箭部段实施离轨处理，即采用二级发动机的第三次点火，实现对空间环境的保护。

运载器－1火箭飞行程序

4 发射场选择

差异性分析

两型火箭在发射场的选择上有所不同：飞马座－XL火箭在美国本土和海外都有发射场，运载器－1火箭主要使用海外发射场，究其原因有：①美国联邦航空局（FAA）没有批准使用如佛罗里达、弗吉尼亚等发射场执行747飞机（“宇宙女孩”载机）的商业飞行业务；②美国东西部发射场任务量密集，难以承接运载器－1火箭的发射任务；③运载器－1火箭致力于拓展国际发射任务，且其地面支持设备更便捷。

飞马座－XL火箭

飞马座－XL空射运载火箭已经从美国、欧洲和马绍尔群岛的5个不同地点发射。包括加利福尼亚、弗吉尼亚、佛罗里达、加那利群岛和马绍尔群岛的夸贾林环礁。

飞马座－XL火箭的发射场选择

运载器－1火箭

运载器－1火箭目前计划在美国加州的莫哈韦航空航天港（MHV）进行高倾角轨道发射任务，在关岛进行中低轨道倾角发射任务，未来还可能选择的发射场包括：预计在2022年投入使用的英国纽基康沃尔机场（NQY），以及日本大分机场（OIT）。同时，为了便于开展海外发射任务，运载器－1火箭的地面支持设备都为车载方案，采用6台拖车实现机箭匹配、燃料加注、有效载荷转运贮存等功能，所有设备都可以通过车载或者机载方式进行周转。

5 结束语

综上所述，尽管“飞马座”火箭和运载器－1火箭都是空射运载火箭，但是在外形布局、动力形式、飞行程序以及发射场地选择等主要技术方案上却截然不同。究其原因，是源于他们不同的设计理念，“飞马座”火箭用于实现对空中发射运载技术的突破，并主要服务于美国军方；而运载器－1火箭则通过采用新技术，降低发射成本，致力于在小卫星商业发射市场占据一席之地。不同的时代成就了不同的空射运载火箭，改变了发射领域游戏规则的同时，也终将改变我们的生活。