发射器- 1 空射系统首飞失利及影响分析

张绿云 王馨野 曲晶（北京航天长征科技信息研究所）

1 首飞情况

2020 年5 月25 日， 维珍轨道公司（Virgin Orbit）的发射器-1（LauncherOne）空射火箭搭乘波音747 载机从加利福尼亚州的莫哈韦航空航天港起飞，进行首次发射。载机飞行54min 后，到达指定发射区域。随后，发射器-1 火箭从载机左翼成功释放，一子级牛顿-3（N-3）发动机实现了点火工作，但一子级工作期间，液氧推进剂管道断裂导致发动机关机，任务失败。

按照原计划，一级需要点火工作约3min。随后，火箭一子级分离，二子级发动机开始工作，时长约为6min。火箭整流罩会在二子级发动机点火后约20s 后抛掉。二子级关机后，火箭要做22min 的惯性飞行，然后二子级发动机二次点火工作15s。在脱离载机后约32min 左右，火箭将有效载荷送入近地轨道。

本次发射原定于5 月24 日进行，但由于传感器故障而推迟。

2 发射器-1 空射系统

发射器- 1 是维珍轨道公司自主研制的空射火箭系统，由发射器- 1 火箭、波音747 载机和地面支持系统组成，太阳同步轨道（SSO）和低地球轨道（LEO）运载能力分别为300kg 和500kg，发射成本约为1200 万美元，可为全球商业用户提供快速、可靠、灵活、低成本的小卫星发射服务。

发射器-1 空射系统

发射器-1 火箭

发射器-1 是维珍轨道公司自2012 年开始研制的二级空射运载火箭，由公司自主完成其设计、研制、试验、组装与发射。火箭由一子级、二子级和整流罩组成，全长21.2m。

一、二子级为复合材料结构，直径分别为1.8m和1.5m，分别采用公司自行设计、试验和生产的牛顿-3 和牛顿-4 液氧/煤油发动机，均采用泵压输送系统，推力分别为327kN 和22kN，工作时长分别为180s 和360s。其中，二子级发动机具备多次启动能力。

在火箭研制过程中，公司将主要资金用于多项新技术的突破，实现高可靠与低成本的目标，包括：低温复合材料贮箱、泵压式推进系统和自动飞行安全系统（AFSS）。自2015 年以来，维珍轨道公司进行了数百次牛顿-3 和牛顿-4 发动机热试车，验证了发动机的性能。

波音747 载机

2015 年底，维珍轨道公司决定改进波音747-400飞机作为专用载机，以提高运载能力和灵活性。随后，公司开始在德克萨斯州对波音747 进行全面的检修。完成结构改进，主要是在左舷内侧发动机和机体之间安装了挂架，用于挂载发射器- 1 火箭，并加固了左机翼；更新了电力和通信系统，得到了美国联邦航空管理局（FAA）的实验性适航证；完成了系列试验。在发射过程中，载机负责提供电力、净化气体、健康监测以及箭体控制。

发射器-1 火箭

发射设施

在发射设施方面，主要的发射场为莫哈维航空航天港。目前，公司已经完成了该发射场的发射评估，同时还在开展其他低纬度发射场地的评估，包括位于肯尼迪航天中心的航天飞机着陆设施、夏威夷的科纳国际机场、波多黎各的罗斯福路军港等。此外，公司还积极与英国、日本等国家进行合作，建设发射设施，包括位于英国纽基康沃尔机场的康沃尔航天发射中心以及位于日本九州岛的大分机场，以满足用户的需求。

与传统的发射方式不同，该系统无需为发射任务建造固定发射平台和其他地面辅助设施，而是由可移动设施设备组成，包括一组推进剂加注设施、有效载荷服务拖车、用于收集与传输遥测信息的地面站以及发射控制中心。

3 维珍轨道公司

基本情况

2017 年，作为维珍集团附属子公司的维珍轨道公司成立，总部位于美国长滩，员工超过300人，由原波音公司（Delta）副总经理丹·哈特[曾效力于航天飞机和“德尔他”（Delta）火箭项目]任首席执行官，致力于发射器-1 空射火箭的研发、制造和发射，以此为小卫星提供经济、快速、可靠的专属发射服务。此外，出于国家航天业务安全保密方面的需要，维珍轨道公司组建了一个子公司，即VOX 航天公司，重点面向发射器-1 的国家安全航天用户。

在合同方面，截至目前，维珍轨道公司已同NASA、空天全球公司（Sky and Space Global）等商业公司签订了商业发射合同。此外，2020 年4月10 日，VOX 公司宣布获得美国天军太空与导弹系统中心（SMC）的一份价值3500 万美元的发射合同，计划通过发射器-1 完成总计44 颗小卫星的发射。首次发射预计在2021 年10 月进行。

基础设施建设

公司拥有独立的制造和测试设施，总部和生产设施均位于加利福尼亚州的长滩，试验和发射设施位于附近的莫哈韦。除了建设新的专用设施之外，公司还充分利用现有基础设施，降低产品的研制成本。

公司总部位于加州长滩，占地面积16700m2，包括办公区、大型先进制造厂房（占地面积14000m2）和载荷处理设施（PPE），用于完成产品的设计、制造和组装。制造厂房配有大型综合生产制造车间，工装配置齐全，生产高效；配有大型计算机数控（CNC）金属车间，用于制造火箭的推进系统、全套电子设备和质量验证系统；配有大型火箭装配车间，每年可完成12 ～24 枚火箭的组装。载荷处理设施包括办公区、通用或专用机械地面支持设备、控制车间以及ISO8级洁净车间，用于完成有效载荷的检测、封装与集成。

波音747 载机

发射器-1 空射系统地面设施

位于长滩的生产制造厂房

贮箱试验设施

发动机试验设施

公司对莫哈维航空航天港的现有设施进行了改进，并为发射器-1 火箭建造了新型试验设施，共8 个试验台，用于进行发动机、复合材料贮箱及全箭的测试。

空射服务流程

发射器-1 空射系统的发射服务包括任务规划、卫星处理安排、星箭集成和卫星发射入轨。

维珍轨道公司致力于将卫星发射服务流程化，主要减少发射准备时间。对于标准的主要载荷，合同执行开始9 个月内可完成发射，而对于搭载载荷，所需时间为6 个月左右。对于标准的卫星发射，载荷封装、运抵发射场之后3 天内完成发射。

4 影响分析

作为低成本专属小运载火箭，未来可有效填补小卫星发射能力的不足

随着航天技术的发展，小卫星数量逐年增加。根据欧洲咨询公司2018 年发布的《小卫星市场展望》报告，未来10 年预计将有约7000 颗小卫星（质量小于500kg）需要发射，几乎是以往10 年小卫星发射数量（1200 颗）的6 倍。未来，小卫星发射在商业航天领域将变得尤为重要。

卫星发射服务流程

目前，基于专用小运载的缺乏和预算受限等原因，小卫星运营商通常采用“一箭多星”、搭载等发射方式。但由于会受到主星或其他卫星的发射安排及其轨道和入轨精度等方面的限制，中低轨道小卫星运营商很难找到合适的发射机会。而作为一家空射发射服务公司，维珍轨道公司致力于降低发射成本，其1200 万美元的发射价格远低于飞马座-XL（Pegasus-XL）空射火箭的5630 万美元，未来还可借助高密度发射实现成本的进一步降低。此外，公司秉承按需发射理念，将发射服务流程化、标准化，并提高发射频率，以其500kg 的运载能力通过专享或拼单方式，满足用户的发射需求，进而填补小卫星发射能力的不足。

具备机动性和灵活性，未来可成为支持快速响应进入空间的重要途径

发射器-1 空射系统不受固定发射台的约束，可以从全球不同的机场起飞，无需过多考虑发射场区和落区安全，可用发射窗口和倾角范围选择性大，发射服务流程化，加上年12 ～24 枚火箭的制造和组装能力，系统具备良好的机动性和灵活性，未来有望将星座部署时间降低至数小时以内。

作为快速、灵活火箭的代表，发射器-1 空射系统将成为未来实现快速响应的一个重要途径。目前，该系统已经获得美国空军的青睐，于2020 年4月获得其“火箭系统发射计划”下的轨道服务计划-4（OSP-4）载荷的首个发射合同，将为空军发射44 颗小卫星。未来，该系统有望在其专门为国防安全卫星发射而成立的VOX 子公司的运营下，争取到更多的军用发射合同，实现军用小卫星的快速发射和组网补网，快速提供针对战役和战术任务的战场情报、监视与侦察、部队移动中通信、气象监测、定位、导航等方面的信息支援与保障。