火箭也能用飛機(jī)發(fā)射？空射火箭先行者——飛馬座火箭

“飛馬座”計(jì)劃始于1987年春，是由當(dāng)時(shí)的軌道科學(xué)公司和大力神航空航天公司自籌資金研制的，沒(méi)有得到任何政府資助。不過(guò)在開(kāi)發(fā)早期的掛飛試驗(yàn)和最初幾次飛行期間，美國(guó)宇航局提供了B-52轟炸機(jī)改造而來(lái)的試驗(yàn)?zāi)笝C(jī)，也算是承擔(dān)了一部分成本。此外，最初的兩個(gè)客戶(hù)軌道通信星座和地球觀測(cè)星座預(yù)付了一部分款項(xiàng)。

1990年4月5日，美國(guó)宇航局試飛員、前航天員戈登·富勒頓指揮載機(jī)升空，實(shí)施了飛馬座火箭的第一次發(fā)射。美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）是飛馬座火箭的第一個(gè)客戶(hù)。當(dāng)時(shí)DARPA簽訂了5次發(fā)射意向，但實(shí)際上只落實(shí)了1次，其余4次都移交給了美國(guó)空軍。

到1994年，軌道科學(xué)公司購(gòu)買(mǎi)了一架退役的洛克希德公司L-1011客機(jī)，命名為“觀星者”號(hào)，以此向《星際迷航：下一代》中的“觀星者”號(hào)聯(lián)邦星艦致敬。

1993年，美國(guó)宇航局發(fā)布了一份小型一次性運(yùn)載火箭服務(wù)（SELVS）的招標(biāo)書(shū)，要求性能略高于原“飛馬座”。1994年軌道科學(xué)公司和大力神公司開(kāi)發(fā)了XL版本，以滿(mǎn)足美國(guó)宇航局的要求?！帮w馬座”XL第一級(jí)和第二級(jí)火箭加長(zhǎng)，第三級(jí)沒(méi)有改變。飛行操作流程依舊，對(duì)“觀星者號(hào)”的機(jī)翼做了加強(qiáng)，可以承載更大的火箭，是現(xiàn)在的主力型號(hào)。

“飛馬座”在美國(guó)國(guó)內(nèi)的評(píng)價(jià)相當(dāng)不錯(cuò)，安東尼奧·埃利亞斯領(lǐng)導(dǎo)的研制小組在1991年獲得了時(shí)任美國(guó)總統(tǒng)布什頒發(fā)的國(guó)家技術(shù)獎(jiǎng)?wù)隆?/p>

“飛馬座”最初的發(fā)射價(jià)格為600萬(wàn)美元，當(dāng)時(shí)還沒(méi)有配套肼輔助推進(jìn)系統(tǒng)（HAPS）上面級(jí)。后來(lái)的“飛馬座”XL發(fā)射價(jià)格大幅度上漲，美國(guó)宇航局的電離層連接探測(cè)器（ICON）任務(wù)就用這種火箭發(fā)射，合同總金額達(dá)到5630萬(wàn)美元，其中包括“固定發(fā)射服務(wù)成本，航天器處理，有效載荷集成，跟蹤、數(shù)據(jù)和遙測(cè)以及其他發(fā)射支持要求”，發(fā)射在2019年10月11日實(shí)施。

在其44次發(fā)射歷史中，“飛馬座”有3次任務(wù)失?。⊿TEP-1、STEP-2和HETI/SAC-B），兩次部分失敗（USAFMicrosat和STEP-2），隨后連續(xù)30次成功飛行，總成功率為89%。1991年7月17日的第一次部分失敗導(dǎo)致美國(guó)空軍的7顆微型衛(wèi)星沒(méi)有進(jìn)入預(yù)定軌道。1996年11月4日的失敗導(dǎo)致伽瑪暴識(shí)別衛(wèi)星丟失。

火箭結(jié)構(gòu)

“飛馬座”和地面起飛火箭的最大區(qū)別就是有翅膀，它不僅僅有主翼，還有尾翼。尾翼組件由后裙、水平尾翼和單垂尾、舵機(jī)組成。尾翼組件是傳統(tǒng)的全鋁結(jié)構(gòu)框架和應(yīng)力蒙皮組成，尾翼的轉(zhuǎn)動(dòng)軸用鈦合金制成。

飛馬座火箭結(jié)構(gòu)示意圖

作為一種固體火箭，“飛馬座”不可避免地要面對(duì)精度比較差的問(wèn)題。固體發(fā)動(dòng)機(jī)存在著推力偏心，也就是說(shuō)，推力和火箭軸線之間存在著橫向偏移量和方向偏離角。這種情況在液體發(fā)動(dòng)機(jī)上就輕得多。“飛馬座”的上面級(jí)就是為了修正這個(gè)偏離量而設(shè)置的。如果用戶(hù)對(duì)精度要求不高、不設(shè)置HAPS上面級(jí)，那么三級(jí)火箭在與載機(jī)分離后10分鐘即完成任務(wù)，星箭分離。如果配備了HAPS上面級(jí)，將由它把衛(wèi)星送入最終軌道。

飛馬座XL火箭的無(wú)HAPS飛行程序

飛馬座 XL 火箭的有 HAPS 飛行程序

在飛行期間，火箭的姿態(tài)由冷氣推力矢量控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)調(diào)解。箭上裝有液氮?dú)夤?，通過(guò)液氮的噴射來(lái)形成控制力矩。

靈活選擇發(fā)射地點(diǎn)

飛馬座火箭充分體現(xiàn)了空射火箭的優(yōu)勢(shì)，那就是可以非常靈活地選擇發(fā)射位置和發(fā)射方向，甚至可以靈活選擇飛機(jī)起飛的位置。

火箭載機(jī)的主要基地就是范登堡空軍基地，可以實(shí)現(xiàn)70°?130°之間的軌道傾角，包括極軌道和大傾斜軌道。如果需要更大的傾角，就要和靶場(chǎng)管理部門(mén)進(jìn)行額外的分析和協(xié)調(diào)。如果要實(shí)現(xiàn)較低的傾角，可以通過(guò)火箭在空中大幅度變軌來(lái)實(shí)現(xiàn)，但這樣會(huì)消耗很多推進(jìn)劑，造成運(yùn)載能力的下降。同樣，在范登堡空軍基地發(fā)射時(shí)，可能有一些特殊的落區(qū)安全要求，導(dǎo)致某些傾角無(wú)法實(shí)現(xiàn)。好的一方面是，在這里發(fā)射時(shí)可以利用當(dāng)?shù)氐臏y(cè)控跟蹤通信設(shè)施。

“飛馬座”還可以在其他靶場(chǎng)發(fā)射，包括沃洛普斯基地（WFF）、美國(guó)空軍東海岸基地（ER）、里根試驗(yàn)場(chǎng)（RTS）。如果從東海岸發(fā)射，就要使用美國(guó)宇航局或者美國(guó)空軍東海岸靶場(chǎng)的有關(guān)設(shè)施。

飛馬座的可選發(fā)射場(chǎng)

如果要向赤道軌道發(fā)射衛(wèi)星，就可以在夸賈林環(huán)礁靶場(chǎng)起飛。根據(jù)軌道科學(xué)公司與靶場(chǎng)簽訂的合同，在發(fā)射窗口期間，有關(guān)設(shè)施可以?xún)?yōu)先用于“飛馬座”發(fā)射的任務(wù)支持。

一般來(lái)說(shuō)，航天發(fā)射需要衛(wèi)星制造商和火箭制造商各自把產(chǎn)品送到發(fā)射場(chǎng)，在發(fā)射場(chǎng)處理和組裝，然后起飛。但是“飛馬座”采用固體火箭、空中發(fā)射的方式，可以讓載機(jī)帶著火箭去“湊”衛(wèi)星。1997年，“飛馬座”在范登堡基地集成后，由“觀星者號(hào)”掛載，飛往西班牙馬德里，與西班牙制造的MINISAT-01衛(wèi)星結(jié)合，然后前往大加那利島，發(fā)射成功。

飛行程序

“飛馬座”的主要部件出廠后，都運(yùn)輸?shù)椒兜潜た哲娀剡M(jìn)行組裝。這里專(zhuān)門(mén)為飛馬座火箭開(kāi)辟了一個(gè)危險(xiǎn)貨物處理區(qū)，外號(hào)叫“熱墊”。

在“熱墊”里有一整套火箭和衛(wèi)星處理設(shè)施，包括地面支持設(shè)備、總裝集成測(cè)試設(shè)備、軌道運(yùn)輸裝置和運(yùn)輸車(chē)。有些設(shè)備用于火箭的運(yùn)輸、裝車(chē)和卸車(chē)，有些用于集成和測(cè)試，有些用于保證衛(wèi)星的環(huán)境控制。處理設(shè)施當(dāng)中提供必要設(shè)備，來(lái)實(shí)現(xiàn)星箭結(jié)合，但是衛(wèi)星本身的處理設(shè)備需要衛(wèi)星業(yè)主自己提供。

星箭結(jié)合之后，將進(jìn)行一系列的測(cè)試活動(dòng)，包括相位測(cè)試、飛行模擬等等。其中需要對(duì)火箭的飛行計(jì)算機(jī)做專(zhuān)門(mén)測(cè)試。在測(cè)試當(dāng)中，火箭的主要分系統(tǒng)，包括氣動(dòng)控制面、冷氣控制系統(tǒng)、舵機(jī)指令系統(tǒng)都要確保合格。

至于衛(wèi)星本身，應(yīng)該在發(fā)射前30天進(jìn)入發(fā)射場(chǎng)。如果不是在范登堡空軍基地，而是在某個(gè)用戶(hù)選定的機(jī)場(chǎng)發(fā)射，就要再提前10天。在星箭結(jié)合之前，衛(wèi)星本身應(yīng)該完成測(cè)試。為此，需要和發(fā)射場(chǎng)進(jìn)行一些協(xié)調(diào)工作，危險(xiǎn)品和有危險(xiǎn)的工藝過(guò)程要提前120天協(xié)調(diào)。

“飛馬座”并不是掛上飛機(jī)就可以發(fā)射的。一般來(lái)說(shuō)，要在發(fā)射前三四天就把它掛到載機(jī)上，然后進(jìn)行各種機(jī)械和電氣接口的測(cè)試。這時(shí)候的飛機(jī)要用地面車(chē)輛來(lái)供電、供氣。有時(shí)候衛(wèi)星上會(huì)采用一些火工品，在臨近發(fā)射的時(shí)才會(huì)安裝上去。所以在火箭整流罩上留有艙門(mén)，在飛機(jī)起飛前一小時(shí)安裝。

當(dāng)所有測(cè)試工作完成，地面車(chē)輛就會(huì)斷開(kāi)與載機(jī)的所有連接，改由飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力向火箭及衛(wèi)星供電，保持整流罩內(nèi)的環(huán)境。起飛前，要打開(kāi)火箭上的各種保險(xiǎn)。飛機(jī)起飛后10分鐘內(nèi)，要擇機(jī)把電源供應(yīng)切換到箭上電池。發(fā)射前45秒，火箭再次實(shí)施自檢，自檢通過(guò)后向發(fā)射控制室返回一個(gè)信號(hào)，然后飛行員根據(jù)控制室指令釋放火箭。