美國(guó)兩型空射運(yùn)載火箭的對(duì)比與分析

劉琳（北京宇航系統(tǒng)工程研究所）

飛馬座－XL火箭

運(yùn)載器－1火箭

提到空射運(yùn)載火箭，就不能不說(shuō)到“飛馬座”（Pegasus）系列空射運(yùn)載火箭。從1990年開始服役至今，累計(jì)執(zhí)行了44次飛行任務(wù)，卻始終保持著世界唯一從事商業(yè)服務(wù)的入軌級(jí)空射運(yùn)載火箭的記錄。直到2021年，維珍軌道公司（Virgin Orbit）的運(yùn)載器－1（Launcher One）火箭飛行成功，成為全球第二型空射運(yùn)載火箭，改寫了世界航天史。

1 歷史意義

無(wú)論是飛馬座－XL火箭還是運(yùn)載器－1火箭，都對(duì)航天史具有非常重要的意義。

2019年10月10日，美國(guó)諾格公司（Northrop Grumman）的飛馬座－XL火箭成功為美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）發(fā)射電離層連接探測(cè)器（ICON）衛(wèi)星。這次發(fā)射是“飛馬座”系列空射運(yùn)載火箭的第44次飛行任務(wù)。自1990年4月5日首次飛行，“飛馬座”空射運(yùn)載火箭在之后的30年內(nèi)創(chuàng)造并保持了多項(xiàng)歷史記錄：①世界上第一個(gè)私人開發(fā)的空射運(yùn)載火箭；②第一個(gè)加速到8倍音速的帶翼飛行器；③首個(gè)使用飛機(jī)作為吸氣式可重復(fù)使用的第一級(jí)的空射系統(tǒng)。

直到31年后，運(yùn)載器－1火箭改寫了空射火箭的歷史：2021年1月17日，美國(guó)維珍軌道公司采用運(yùn)載器－1火箭,搭載波音747-400改進(jìn)型（命名為“宇宙女孩”）飛機(jī)發(fā)射升空，成功將美國(guó)國(guó)家航空航天局“發(fā)射服務(wù)項(xiàng)目”（LSP）的10個(gè)有效載荷送入太空。這是維珍軌道公司實(shí)施的第二次發(fā)射，也是運(yùn)載器－1火箭的首次成功飛行。其成為全球第二型空射運(yùn)載火箭，也是世界上的首枚空射液體火箭。

2 火箭基本布局

差異性分析

兩型火箭在基本布局上的主要差別在于三角翼的選擇，飛馬座－XL火箭選擇帶三角翼，是因?yàn)槠湓O(shè)計(jì)模仿了同時(shí)期的X－15飛行器，采用了幾乎相同的火箭長(zhǎng)度以及翼形；而運(yùn)載器－1火箭采用大傾角發(fā)射和液體動(dòng)力等技術(shù)方案，降低了對(duì)火箭控制力的需求，從而取消了三角翼，使得火箭布局更為簡(jiǎn)潔。

飛馬座－XL空射火箭

飛馬座-XL空射運(yùn)載火箭起飛質(zhì)量為23130kg，全長(zhǎng)為16.939m，直徑為1.27m，整體外形是一個(gè)帶三角翼的飛行器。三角翼的翼展為6.7m，用于在Ma為1.8～3.0的飛行爬升段為火箭提供升力。三角翼安裝在一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)上，同時(shí)也是火箭與載機(jī)的主要連接結(jié)構(gòu)?；鸺奈捕伟惭b有3個(gè)尾舵，包括一個(gè)垂直尾舵和兩個(gè)水平尾舵，水平尾舵呈23°向下傾斜安裝，兩翼展間寬度4.02m。

運(yùn)載器－1空射火箭

運(yùn)載器－1空射運(yùn)載火箭全長(zhǎng)21.34m，典型狀態(tài)的最大起飛質(zhì)量為25.9t，一子級(jí)外徑1.8m，采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，通過(guò)自主飛行安全系統(tǒng)（AFSS）控制一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和終止；二子級(jí)外徑1.5m，采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)；一級(jí)飛行段的最大飛行速度約3576m/s，二級(jí)飛行段的最大飛行速度約7823m/s。運(yùn)載器-1火箭外形較為簡(jiǎn)潔，為軸對(duì)稱旋成體，僅在尾段部分增加了X型布局的尾翼。

飛馬座－XL空射火箭俯視圖

運(yùn)載器－1空射火箭示意圖

3 動(dòng)力與飛行程序

差異性分析

兩型火箭最大的差異在于動(dòng)力選擇不同，飛馬座－XL火箭為全固體動(dòng)力形式，只在特定任務(wù)時(shí)選配液體輔助動(dòng)力系統(tǒng)（HAPS），而運(yùn)載器－1火箭為全液體動(dòng)力形式。相對(duì)而言，空射火箭采用液體動(dòng)力形式更為復(fù)雜，需要解決推進(jìn)劑蒸發(fā)以及一級(jí)點(diǎn)火等問(wèn)題，運(yùn)載器-1火箭在箭體尾翼附近，安裝有兩臺(tái)沉降推進(jìn)器，用于實(shí)現(xiàn)一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的水平空中點(diǎn)火。

不同的動(dòng)力形式也帶來(lái)飛行程序差異，相比而言，飛馬座-XL火箭的飛行時(shí)間僅為運(yùn)載器－1火箭的六分之一，體現(xiàn)了固體火箭更為卓越的快速響應(yīng)特性。

兩型空射火箭動(dòng)力性能對(duì)比

“飛馬座”火箭第43次任務(wù)飛行程序

飛馬座－XL火箭

飛馬座－XL火箭從機(jī)箭分離到星箭分離，飛行時(shí)間約為10min。以“飛馬座”火箭第43次發(fā)射任務(wù)為例，飛馬座－XL火箭搭載L－1011三星飛機(jī)攜帶至大西洋上空約12.4km的高空，火箭釋放后自由落體5s，然后點(diǎn)燃一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，之后按照飛行程序飛行。

運(yùn)載器－1火箭

運(yùn)載器－1火箭此次任務(wù)的飛行時(shí)間約為55min30s，主要飛行程序是：“宇宙女孩”載機(jī)攜帶運(yùn)載器－1火箭飛到海洋上空10.7km處，飛機(jī)進(jìn)入爬升程序后釋放火箭，5s以后，一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，工作3min，隨后一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)、一二級(jí)分離、二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作6min后關(guān)機(jī)，火箭滑行46min，然后二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)第二次點(diǎn)火，工作5s，將有效載荷送入高度500km軌道。同時(shí)，為了避免發(fā)射高軌道衛(wèi)星時(shí)出現(xiàn)的火箭部段長(zhǎng)期滯留軌道的問(wèn)題，運(yùn)載器－1火箭對(duì)在625km以上的火箭部段實(shí)施離軌處理，即采用二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的第三次點(diǎn)火，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間環(huán)境的保護(hù)。

運(yùn)載器－1火箭飛行程序

4 發(fā)射場(chǎng)選擇

差異性分析

兩型火箭在發(fā)射場(chǎng)的選擇上有所不同：飛馬座－XL火箭在美國(guó)本土和海外都有發(fā)射場(chǎng)，運(yùn)載器－1火箭主要使用海外發(fā)射場(chǎng)，究其原因有：①美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）沒有批準(zhǔn)使用如佛羅里達(dá)、弗吉尼亞等發(fā)射場(chǎng)執(zhí)行747飛機(jī)（“宇宙女孩”載機(jī)）的商業(yè)飛行業(yè)務(wù)；②美國(guó)東西部發(fā)射場(chǎng)任務(wù)量密集，難以承接運(yùn)載器－1火箭的發(fā)射任務(wù)；③運(yùn)載器－1火箭致力于拓展國(guó)際發(fā)射任務(wù)，且其地面支持設(shè)備更便捷。

飛馬座－XL火箭

飛馬座－XL空射運(yùn)載火箭已經(jīng)從美國(guó)、歐洲和馬紹爾群島的5個(gè)不同地點(diǎn)發(fā)射。包括加利福尼亞、弗吉尼亞、佛羅里達(dá)、加那利群島和馬紹爾群島的夸賈林環(huán)礁。

飛馬座－XL火箭的發(fā)射場(chǎng)選擇

運(yùn)載器－1火箭

運(yùn)載器－1火箭目前計(jì)劃在美國(guó)加州的莫哈韋航空航天港（MHV）進(jìn)行高傾角軌道發(fā)射任務(wù)，在關(guān)島進(jìn)行中低軌道傾角發(fā)射任務(wù)，未來(lái)還可能選擇的發(fā)射場(chǎng)包括：預(yù)計(jì)在2022年投入使用的英國(guó)紐基康沃爾機(jī)場(chǎng)（NQY），以及日本大分機(jī)場(chǎng)（OIT）。同時(shí)，為了便于開展海外發(fā)射任務(wù)，運(yùn)載器－1火箭的地面支持設(shè)備都為車載方案，采用6臺(tái)拖車實(shí)現(xiàn)機(jī)箭匹配、燃料加注、有效載荷轉(zhuǎn)運(yùn)貯存等功能，所有設(shè)備都可以通過(guò)車載或者機(jī)載方式進(jìn)行周轉(zhuǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，盡管“飛馬座”火箭和運(yùn)載器－1火箭都是空射運(yùn)載火箭，但是在外形布局、動(dòng)力形式、飛行程序以及發(fā)射場(chǎng)地選擇等主要技術(shù)方案上卻截然不同。究其原因，是源于他們不同的設(shè)計(jì)理念，“飛馬座”火箭用于實(shí)現(xiàn)對(duì)空中發(fā)射運(yùn)載技術(shù)的突破，并主要服務(wù)于美國(guó)軍方；而運(yùn)載器－1火箭則通過(guò)采用新技術(shù)，降低發(fā)射成本，致力于在小衛(wèi)星商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)占據(jù)一席之地。不同的時(shí)代成就了不同的空射運(yùn)載火箭，改變了發(fā)射領(lǐng)域游戲規(guī)則的同時(shí)，也終將改變我們的生活。