發(fā)射器- 1 空射系統(tǒng)首飛失利及影響分析

張綠云 王馨野 曲晶（北京航天長征科技信息研究所）

1 首飛情況

2020 年5 月25 日， 維珍軌道公司（Virgin Orbit）的發(fā)射器-1（LauncherOne）空射火箭搭乘波音747 載機(jī)從加利福尼亞州的莫哈韋航空航天港起飛，進(jìn)行首次發(fā)射。載機(jī)飛行54min 后，到達(dá)指定發(fā)射區(qū)域。隨后，發(fā)射器-1 火箭從載機(jī)左翼成功釋放，一子級牛頓-3（N-3）發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)火工作，但一子級工作期間，液氧推進(jìn)劑管道斷裂導(dǎo)致發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)，任務(wù)失敗。

按照原計(jì)劃，一級需要點(diǎn)火工作約3min。隨后，火箭一子級分離，二子級發(fā)動機(jī)開始工作，時(shí)長約為6min?；鸺髡謺诙蛹壈l(fā)動機(jī)點(diǎn)火后約20s 后拋掉。二子級關(guān)機(jī)后，火箭要做22min 的慣性飛行，然后二子級發(fā)動機(jī)二次點(diǎn)火工作15s。在脫離載機(jī)后約32min 左右，火箭將有效載荷送入近地軌道。

本次發(fā)射原定于5 月24 日進(jìn)行，但由于傳感器故障而推遲。

2 發(fā)射器-1 空射系統(tǒng)

發(fā)射器- 1 是維珍軌道公司自主研制的空射火箭系統(tǒng)，由發(fā)射器- 1 火箭、波音747 載機(jī)和地面支持系統(tǒng)組成，太陽同步軌道（SSO）和低地球軌道（LEO）運(yùn)載能力分別為300kg 和500kg，發(fā)射成本約為1200 萬美元，可為全球商業(yè)用戶提供快速、可靠、靈活、低成本的小衛(wèi)星發(fā)射服務(wù)。

發(fā)射器-1 空射系統(tǒng)

發(fā)射器-1 火箭

發(fā)射器-1 是維珍軌道公司自2012 年開始研制的二級空射運(yùn)載火箭，由公司自主完成其設(shè)計(jì)、研制、試驗(yàn)、組裝與發(fā)射。火箭由一子級、二子級和整流罩組成，全長21.2m。

一、二子級為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，直徑分別為1.8m和1.5m，分別采用公司自行設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和生產(chǎn)的牛頓-3 和牛頓-4 液氧/煤油發(fā)動機(jī)，均采用泵壓輸送系統(tǒng)，推力分別為327kN 和22kN，工作時(shí)長分別為180s 和360s。其中，二子級發(fā)動機(jī)具備多次啟動能力。

在火箭研制過程中，公司將主要資金用于多項(xiàng)新技術(shù)的突破，實(shí)現(xiàn)高可靠與低成本的目標(biāo)，包括：低溫復(fù)合材料貯箱、泵壓式推進(jìn)系統(tǒng)和自動飛行安全系統(tǒng)（AFSS）。自2015 年以來，維珍軌道公司進(jìn)行了數(shù)百次牛頓-3 和牛頓-4 發(fā)動機(jī)熱試車，驗(yàn)證了發(fā)動機(jī)的性能。

波音747 載機(jī)

2015 年底，維珍軌道公司決定改進(jìn)波音747-400飛機(jī)作為專用載機(jī)，以提高運(yùn)載能力和靈活性。隨后，公司開始在德克薩斯州對波音747 進(jìn)行全面的檢修。完成結(jié)構(gòu)改進(jìn)，主要是在左舷內(nèi)側(cè)發(fā)動機(jī)和機(jī)體之間安裝了掛架，用于掛載發(fā)射器- 1 火箭，并加固了左機(jī)翼；更新了電力和通信系統(tǒng)，得到了美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）的實(shí)驗(yàn)性適航證；完成了系列試驗(yàn)。在發(fā)射過程中，載機(jī)負(fù)責(zé)提供電力、凈化氣體、健康監(jiān)測以及箭體控制。

發(fā)射器-1 火箭

發(fā)射設(shè)施

在發(fā)射設(shè)施方面，主要的發(fā)射場為莫哈維航空航天港。目前，公司已經(jīng)完成了該發(fā)射場的發(fā)射評估，同時(shí)還在開展其他低緯度發(fā)射場地的評估，包括位于肯尼迪航天中心的航天飛機(jī)著陸設(shè)施、夏威夷的科納國際機(jī)場、波多黎各的羅斯福路軍港等。此外，公司還積極與英國、日本等國家進(jìn)行合作，建設(shè)發(fā)射設(shè)施，包括位于英國紐基康沃爾機(jī)場的康沃爾航天發(fā)射中心以及位于日本九州島的大分機(jī)場，以滿足用戶的需求。

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

3 維珍軌道公司

基本情況

2017 年，作為維珍集團(tuán)附屬子公司的維珍軌道公司成立，總部位于美國長灘，員工超過300人，由原波音公司（Delta）副總經(jīng)理丹·哈特[曾效力于航天飛機(jī)和“德爾他”（Delta）火箭項(xiàng)目]任首席執(zhí)行官，致力于發(fā)射器-1 空射火箭的研發(fā)、制造和發(fā)射，以此為小衛(wèi)星提供經(jīng)濟(jì)、快速、可靠的專屬發(fā)射服務(wù)。此外，出于國家航天業(yè)務(wù)安全保密方面的需要，維珍軌道公司組建了一個(gè)子公司，即VOX 航天公司，重點(diǎn)面向發(fā)射器-1 的國家安全航天用戶。

在合同方面，截至目前，維珍軌道公司已同NASA、空天全球公司（Sky and Space Global）等商業(yè)公司簽訂了商業(yè)發(fā)射合同。此外，2020 年4月10 日，VOX 公司宣布獲得美國天軍太空與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心（SMC）的一份價(jià)值3500 萬美元的發(fā)射合同，計(jì)劃通過發(fā)射器-1 完成總計(jì)44 顆小衛(wèi)星的發(fā)射。首次發(fā)射預(yù)計(jì)在2021 年10 月進(jìn)行。

基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

公司擁有獨(dú)立的制造和測試設(shè)施，總部和生產(chǎn)設(shè)施均位于加利福尼亞州的長灘，試驗(yàn)和發(fā)射設(shè)施位于附近的莫哈韋。除了建設(shè)新的專用設(shè)施之外，公司還充分利用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施，降低產(chǎn)品的研制成本。

公司總部位于加州長灘，占地面積16700m2，包括辦公區(qū)、大型先進(jìn)制造廠房（占地面積14000m2）和載荷處理設(shè)施（PPE），用于完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和組裝。制造廠房配有大型綜合生產(chǎn)制造車間，工裝配置齊全，生產(chǎn)高效；配有大型計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）金屬車間，用于制造火箭的推進(jìn)系統(tǒng)、全套電子設(shè)備和質(zhì)量驗(yàn)證系統(tǒng)；配有大型火箭裝配車間，每年可完成12 ～24 枚火箭的組裝。載荷處理設(shè)施包括辦公區(qū)、通用或?qū)Ｓ脵C(jī)械地面支持設(shè)備、控制車間以及ISO8級潔凈車間，用于完成有效載荷的檢測、封裝與集成。

波音747 載機(jī)

發(fā)射器-1 空射系統(tǒng)地面設(shè)施

位于長灘的生產(chǎn)制造廠房

貯箱試驗(yàn)設(shè)施

發(fā)動機(jī)試驗(yàn)設(shè)施

公司對莫哈維航空航天港的現(xiàn)有設(shè)施進(jìn)行了改進(jìn)，并為發(fā)射器-1 火箭建造了新型試驗(yàn)設(shè)施，共8 個(gè)試驗(yàn)臺，用于進(jìn)行發(fā)動機(jī)、復(fù)合材料貯箱及全箭的測試。

空射服務(wù)流程

發(fā)射器-1 空射系統(tǒng)的發(fā)射服務(wù)包括任務(wù)規(guī)劃、衛(wèi)星處理安排、星箭集成和衛(wèi)星發(fā)射入軌。

維珍軌道公司致力于將衛(wèi)星發(fā)射服務(wù)流程化，主要減少發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間。對于標(biāo)準(zhǔn)的主要載荷，合同執(zhí)行開始9 個(gè)月內(nèi)可完成發(fā)射，而對于搭載載荷，所需時(shí)間為6 個(gè)月左右。對于標(biāo)準(zhǔn)的衛(wèi)星發(fā)射，載荷封裝、運(yùn)抵發(fā)射場之后3 天內(nèi)完成發(fā)射。

4 影響分析

作為低成本專屬小運(yùn)載火箭，未來可有效填補(bǔ)小衛(wèi)星發(fā)射能力的不足

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，小衛(wèi)星數(shù)量逐年增加。根據(jù)歐洲咨詢公司2018 年發(fā)布的《小衛(wèi)星市場展望》報(bào)告，未來10 年預(yù)計(jì)將有約7000 顆小衛(wèi)星（質(zhì)量小于500kg）需要發(fā)射，幾乎是以往10 年小衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量（1200 顆）的6 倍。未來，小衛(wèi)星發(fā)射在商業(yè)航天領(lǐng)域?qū)⒆兊糜葹橹匾?/p>

衛(wèi)星發(fā)射服務(wù)流程

目前，基于專用小運(yùn)載的缺乏和預(yù)算受限等原因，小衛(wèi)星運(yùn)營商通常采用“一箭多星”、搭載等發(fā)射方式。但由于會受到主星或其他衛(wèi)星的發(fā)射安排及其軌道和入軌精度等方面的限制，中低軌道小衛(wèi)星運(yùn)營商很難找到合適的發(fā)射機(jī)會。而作為一家空射發(fā)射服務(wù)公司，維珍軌道公司致力于降低發(fā)射成本，其1200 萬美元的發(fā)射價(jià)格遠(yuǎn)低于飛馬座-XL（Pegasus-XL）空射火箭的5630 萬美元，未來還可借助高密度發(fā)射實(shí)現(xiàn)成本的進(jìn)一步降低。此外，公司秉承按需發(fā)射理念，將發(fā)射服務(wù)流程化、標(biāo)準(zhǔn)化，并提高發(fā)射頻率，以其500kg 的運(yùn)載能力通過專享或拼單方式，滿足用戶的發(fā)射需求，進(jìn)而填補(bǔ)小衛(wèi)星發(fā)射能力的不足。

具備機(jī)動性和靈活性，未來可成為支持快速響應(yīng)進(jìn)入空間的重要途徑

發(fā)射器-1 空射系統(tǒng)不受固定發(fā)射臺的約束，可以從全球不同的機(jī)場起飛，無需過多考慮發(fā)射場區(qū)和落區(qū)安全，可用發(fā)射窗口和傾角范圍選擇性大，發(fā)射服務(wù)流程化，加上年12 ～24 枚火箭的制造和組裝能力，系統(tǒng)具備良好的機(jī)動性和靈活性，未來有望將星座部署時(shí)間降低至數(shù)小時(shí)以內(nèi)。

作為快速、靈活火箭的代表，發(fā)射器-1 空射系統(tǒng)將成為未來實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)的一個(gè)重要途徑。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)獲得美國空軍的青睞，于2020 年4月獲得其“火箭系統(tǒng)發(fā)射計(jì)劃”下的軌道服務(wù)計(jì)劃-4（OSP-4）載荷的首個(gè)發(fā)射合同，將為空軍發(fā)射44 顆小衛(wèi)星。未來，該系統(tǒng)有望在其專門為國防安全衛(wèi)星發(fā)射而成立的VOX 子公司的運(yùn)營下，爭取到更多的軍用發(fā)射合同，實(shí)現(xiàn)軍用小衛(wèi)星的快速發(fā)射和組網(wǎng)補(bǔ)網(wǎng)，快速提供針對戰(zhàn)役和戰(zhàn)術(shù)任務(wù)的戰(zhàn)場情報(bào)、監(jiān)視與偵察、部隊(duì)移動中通信、氣象監(jiān)測、定位、導(dǎo)航等方面的信息支援與保障。