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全球航天新纪录:空中发射液体火箭入轨

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航天新观察2021/01/18

第 295期

【航小宇、综合报道】 北京时间今日凌晨,维珍轨道公司的空射型小运载“运载器一号”由从加州莫哈韦航空航天港起飞的波音747-400载机携带到高空进行发射,成功将有效载荷部署到高度近500公里的轨道。

本次发射携带了10颗立方星, 来自美国教育机构、实验室和NASA一座现场中心。 发射原定去年12月中旬进行,后因疫情原因推迟。 维珍轨道发射前强调称这次发射的主要目的是要考核火箭。 在去年5月25日的首次入轨发射尝试中,一级发动机在点火后几秒便关机了。

维珍轨道公司2017年3月从以载人亚轨道飞行为主业的维珍银河公司剥离出来,希望利用其空射系统在日益增长的小卫星发射市场上占得一席之地。但该市场依然存在着很激烈的竞争。例如,火箭实验室公司已在利用其“电子”小运载提供专享发射服务,而太空探索公司则在推动用其运力强大的“猎鹰”9火箭开展小卫星搭载和拼单发射服务。但公司总裁兼首席执行官哈特此前表示,公司采取的空射战略令其很有希望在市场上取得成功。他强调说,公司的空射系统可带来灵活性、机动性和快速反应能力。

“运载器一号”低轨运载能力为500公斤,500公里太阳同步极轨道运载能力为300公斤, 发射价格约为1200万美元(运载能力较低的“电子”收费标准约为700万美元)。 除NASA外,它已揽到的用户还包括美国国防部、空天全球公司和一网公司等。 哈特称,公司拿到的单子已有“数亿美元”。

此次发射成功让“运载器一号”成为世界上第一种液体燃料空射型卫星运载火箭。 前轨道科学公司(现属诺格)的飞马座1990年成为全球第一种空射型运载火箭,但采用的是固体推进剂。飞马座从NASA拿到的最近一份发射合同价格超过5600万美元,是“运载器一号”报价的4倍还多。

宙叔评论

发射卫星用什么?离不开运载火箭。火箭从地面起飞的代价是很大的,于是人们又想以接力的方式先送火箭一程,让它省点力气。美国“狮子座”公司计划用巨型热气球高空投放火箭,今天维珍轨道公司成功发射的“运载器一号” (LauncherOne)则是由飞机带到空中再实施发射。一箭十颗立方星的这次发射——入轨、而不是亚轨道,表现惊艳,带来多项业界首创。

首先,“运载器一号”是全球首个成功飞行的空射液体火箭,创造了航天界的新纪录。以往全球只出现过固体空射火箭,那就是“飞马座”,但其成本极高。“运载器一号”火箭使用液氧煤油作为动力燃料,花费1200万美元能将500公斤载荷送入LEO轨道,或将300公斤载荷送入SSO等极地轨道,也算是商业小运载领域中的经济实惠型产品,其性价比目前与“电子”号相当,未来或有进一步提升空间。

第二,“运载器一号”是两级液体小火箭,基于空射优势,用同等的推力性能可以实现比地面起飞大得多的运载能力。一级采用推力为32.7吨的“牛顿三号”发动机,二级采用2.7吨的“牛顿四号”发动机,这个结构配置比两级结构的“电子”火箭略高一点,但运力比“电子”要高出一倍。若未来经营顺利并能进一步改进,其发射的运力和成本优势可以完胜“电子”号。

第三,这次发射,为全球发射场新增了一位特别成员,即美国加州莫哈韦沙漠航空航天港以及载机波音747商用飞机。这也是一个新的发射场模式。以往美国本土发射,还从未有过不同于传统发射场工位概念的纯商业港和商业载机。虽然之前有轨道ATK公司的“飞马座”空射火箭,但其发射基本上是由NASA主导流程和场地;而“运载器一号”是完全商业自主发射的火箭,NASA及其它用户只需要付款把载荷交给维珍公司即可,不用参与任务流程的管理和干预。

第四,“运载器一号”火箭研制模式的商业化程度极高。该火箭缘由Scaled Composites公司研制,后来维珍银河公司开始是以7:3的比例与Scaled Composites公司合资成立Spaceship Company公司,后又将Spaceship Company公司股权全部收购,使其完全成为维珍银河的全资子公司。也就是说,维珍银河一步一步把“运载器一号”变成了自己的产品,完全掌控其发展路子,可见多么走心。对于新型小运载这种技术门槛不是特别高的产品研发来说,这种模式是非常有利的,既通过商业运作提高了产品研发的效率,又能快速对接市场需求。

空中发射与陆上发射,哪个更经济?这笔账其实不太好算。“运载器一号”的载机与火箭分离时高度大约10公里,这意味着火箭少飞了10公里——这可是大气密度和重力影响最大的10公里,因此空射对于节省火箭推进剂、降低一级入轨代价是有一定价值的。但是,航路的安全性问题,导致空中发射的航线申请非常困难;飞机️加火箭的组合,大大增加了系统的复杂性;受飞机载重量的限制,只能发射小型火箭。与这些弊端和麻烦相比,空中发射所节省10%到15%的能量,不一定能够省钱。

实际上,空射的优势更在其另一面。理论上讲,载机可以从任何机场或简易跑道起飞,从而规避气象条件与落区选择对航天发射的约束,满足不同轨道的发射要求。这种由发射地理位置不受限带来的灵活机动性,对于小规模、快速反应的国家安全任务特别有吸引力,难怪维珍轨道在2017年设立了子公司VOX Space,专门负责用“运载器一号”发射美国国家安全载荷的任务。

无论如何,发射微小卫星的一种新选择诞生了。由于成本远远高于电子号火箭、猎鹰9火箭等当前主流运载工具,此前主要服务NASA的“飞马座”空射火箭几乎已经接不到“活”了。同为空射系统、成本低得多的“运载器一号”,今天开始加入新一代运载行列。它一路走来也是不易。维珍早在2007年就开始研究空射概念,14年间经历了载机更换、试飞推迟和跟用户(比如OneWeb)打官司等等波折。成功首飞后,维珍轨道公司官方推特说:“此刻,任务中心外的每个人都疯了,通信指挥人员也在努力控制自己激动的声音。”

总是后浪推前浪,祝贺。这里是来自维珍轨道公司的本次发射视频,很有观赏性。

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