发射器-1成功实现首次入轨发射

王馨野 曲晶 张绿云（北京航天长征科技信息研究所）

2021 年1 月17 日发射器－1 第二次发射

1 任务情况

2021 年1 月17 日， 维 珍 轨 道 公 司（Virgin Orbit）发射器－1（LauncherOne）空射运载火箭进行了第二次发射，成功将10 颗立方体卫星送入预定轨道。继2020 年5 月首飞因液氧推进剂管道破裂而失败后，这是发射器－1 首次成功完成卫星入轨发射。

此次任务携带的10 颗立方体卫星总质量为115kg，属于美国国家航空航天局（NASA）“教育发射纳米20”（ELaNa 20）任务，其中，9 颗来自美国不同大学，1 颗来自NASA，目的是执行科学技术验证。名为“宇宙女孩”（Cosmic Girl）的波音747 载机于1 月17 日13：38 搭载发射器－1 火箭从加利福尼亚州的莫哈韦航空航天港（MHV）起飞。飞机在加州南部海岸飞越太平洋上空，飞行高度约35000ft（约10500m）时，载机于14：39 左右投放火箭。其后，一子级牛顿－3（Newton－3）发动机点火工作3min，随后一子级分离，二子级牛顿－4 发动机点火工作近6min。在46min 的滑行后，牛顿－4发动机重新点火工作，进行了5s 的燃烧，随后将有效载荷部署到大约500km 高的轨道上，第二次发射任务成功完成。

2 空射系统

发射器－1 空射系统

发射器－1 空射系统由波音747－400 运输机改装的“宇宙女孩”及发射器－1 运载火箭组成，于2018 年6 月29 日获得首次轨道发射许可证，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 为两级空射运载火箭，由一子级、二子级和整流罩组成，全长21.2m，质量30t。一、二子级全为碳复合材料结构，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。与牛顿－1 和牛顿－2 较为简单的挤压式不同，牛顿－3 和牛顿－4 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，一子级的自主飞行安全系统（AFSS）为牛顿－3 发动机提供推力终止，二子级牛顿－4 发动机具备多次启动能力。

发射器－1 火箭结构

发射器－1 火箭

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，这架飞机此前曾在维珍大西洋航空公司（VAA）服役。随后，该公司开始在德克萨斯州对波音747 进行全面的检修。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。火箭要在约10.7km 的高空脱离载机，以把卫星送入轨道。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 安装到改装后的波音747 载机“宇宙女孩”上（来源：Virgin Orbit）

链接：美国其他空射运载火箭发展现状

纵观近年来美国空射运载火箭的发展，有的已黯然退出空射运载领域，也有新加入的成员。2020 年最受人瞩目的当属美国创企时代公司（Aevum），该公司于2020 年12 月发布了世界上第一架卫星发射无人机—“乌鸦X”（Ravn X）。该无人机将能够每180min 携带一个新的有效载荷进入轨道。与发射器－1 相比，Aevum 公司采用的是一个完全自主的系统，不需要飞行员或高昂的发射台就可以到达近地轨道。该系统还需1 年半的时间准备就绪，第一个客户已确定为美国太空部队，预计进行ASLON－45 小型卫星发射任务。

曾经是世界上唯一的投入商业运营的空射运载火箭“飞马座”（Pegasus）已完成44 次任务，将80 余颗卫星发射升空。第44 次也是2019 年10月L－1011 载机与飞马座－XL 火箭组合发射清单上的最后一飞。而除此之外，“飞马座”近年来基本上未揽到业务。原本NASA 对小型科学载荷的发射很多都是依靠“飞马座”空射火箭，而这次发射器－1 携带的10 颗NASA 小卫星任务一方面证实了其对新型空射运载火箭的信任与支持，另外也证实了传统空射火箭面临的窘境。

“空中发射辅助太空进入”（ALASA）计划也是以开发一种小型卫星发射系统为目的，使美军具备24h 内从全球任意常规机场进入太空的能力，但最终由于动力系统的安全性存在风险于2015 年底取消。

“平流层”（Stratolaunch）空射火箭系统的巨型载机在2019 年4 月做了一次试飞后，平流层发射公司（Stratolaunch）于2020 年3 月表示其正在研发一款由巨型载机发射的可重复使用高超音速飞行器，有意转向高超音速飞行技术研究。

发射设施

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。

截至2021 年1 月底，官方公布的全球发射地点为5 个，分别是美国加利福尼亚州莫哈韦航空航天港、佛罗里达州发射着陆场（LLF），日本关岛安德森空军基地（Andersen AFB）和大分机场（OIT），英国康沃尔航天港（Cornwall Space Port）。其中，大倾角发射服务在美国莫哈韦航空航天港进行，低倾角和中倾角发射服务在日本关岛进行。这两个地点都是FAA 许可的航天港，用于可重复使用飞行器的商业发射。维珍轨道公司还将把小型卫星的灵活发射引入全球空间港网络和世界各国。2020 年4 月，维珍轨道公司表示将日本大分机场选为潜在发射场，最快2022 年开始用于发射服务。此外，2018 年7 月，该公司在范堡罗国际航空航天展览会上签署了在英国康沃尔航天港开展发射器－1 发射业务的协议。

3 结语

此次发射器－1 发射成功，标志着该火箭正式投入使用。

一方面，作为低成本专属小型运载火箭，发射器－1 未来可有效填补小卫星发射能力的不足。目前，基于专用小型运载火箭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 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，该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。

另一方面，由于空射运载火箭系统具备机动性和灵活性，发射器－1 未来可成为支持快速响应进入空间的重要途径。发射器－1 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。目前，该系统已经获得美国空军的青睐，2020 年9 月为美国太空司令部（USSPACECOM）发射了一颗关键卫星，完成快速响应模拟发射；同年4 月获得其“火箭系统发射计划”（RSLP）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 空间公司的运营下，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（ISR）、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。