火箭也能用飛機發(fā)射？空射火箭先行者——飛馬座火箭

“飛馬座”計劃始于1987年春，是由當時的軌道科學公司和大力神航空航天公司自籌資金研制的，沒有得到任何政府資助。不過在開發(fā)早期的掛飛試驗和最初幾次飛行期間，美國宇航局提供了B-52轟炸機改造而來的試驗母機，也算是承擔了一部分成本。此外，最初的兩個客戶軌道通信星座和地球觀測星座預付了一部分款項。

1990年4月5日，美國宇航局試飛員、前航天員戈登·富勒頓指揮載機升空，實施了飛馬座火箭的第一次發(fā)射。美國國防高級研究計劃局（DARPA）是飛馬座火箭的第一個客戶。當時DARPA簽訂了5次發(fā)射意向，但實際上只落實了1次，其余4次都移交給了美國空軍。

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

1993年，美國宇航局發(fā)布了一份小型一次性運載火箭服務（SELVS）的招標書，要求性能略高于原“飛馬座”。1994年軌道科學公司和大力神公司開發(fā)了XL版本，以滿足美國宇航局的要求?！帮w馬座”XL第一級和第二級火箭加長，第三級沒有改變。飛行操作流程依舊，對“觀星者號”的機翼做了加強，可以承載更大的火箭，是現(xiàn)在的主力型號。

“飛馬座”在美國國內的評價相當不錯，安東尼奧·埃利亞斯領導的研制小組在1991年獲得了時任美國總統(tǒng)布什頒發(fā)的國家技術獎章。

“飛馬座”最初的發(fā)射價格為600萬美元，當時還沒有配套肼輔助推進系統(tǒng)（HAPS）上面級。后來的“飛馬座”XL發(fā)射價格大幅度上漲，美國宇航局的電離層連接探測器（ICON）任務就用這種火箭發(fā)射，合同總金額達到5630萬美元，其中包括“固定發(fā)射服務成本，航天器處理，有效載荷集成，跟蹤、數(shù)據(jù)和遙測以及其他發(fā)射支持要求”，發(fā)射在2019年10月11日實施。

在其44次發(fā)射歷史中，“飛馬座”有3次任務失?。⊿TEP-1、STEP-2和HETI/SAC-B），兩次部分失?。║SAFMicrosat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致美國空軍的7顆微型衛(wèi)星沒有進入預定軌道。1996年11月4日的失敗導致伽瑪暴識別衛(wèi)星丟失。

火箭結構

“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、舵機組成。尾翼組件是傳統(tǒng)的全鋁結構框架和應力蒙皮組成，尾翼的轉動軸用鈦合金制成。

飛馬座火箭結構示意圖

作為一種固體火箭，“飛馬座”不可避免地要面對精度比較差的問題。固體發(fā)動機存在著推力偏心，也就是說，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)動機上就輕得多?！帮w馬座”的上面級就是為了修正這個偏離量而設置的。如果用戶對精度要求不高、不設置HAPS上面級，那么三級火箭在與載機分離后10分鐘即完成任務，星箭分離。如果配備了HAPS上面級，將由它把衛(wèi)星送入最終軌道。

飛馬座XL火箭的無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)負責調解。箭上裝有液氮氣罐，通過液氮的噴射來形成控制力矩。

靈活選擇發(fā)射地點

飛馬座火箭充分體現(xiàn)了空射火箭的優(yōu)勢，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起飛的位置。

火箭載機的主要基地就是范登堡空軍基地，可以實現(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，就要和靶場管理部門進行額外的分析和協(xié)調。如果要實現(xiàn)較低的傾角，可以通過火箭在空中大幅度變軌來實現(xiàn)，但這樣會消耗很多推進劑，造成運載能力的下降。同樣，在范登堡空軍基地發(fā)射時，可能有一些特殊的落區(qū)安全要求，導致某些傾角無法實現(xiàn)。好的一方面是，在這里發(fā)射時可以利用當?shù)氐臏y控跟蹤通信設施。

“飛馬座”還可以在其他靶場發(fā)射，包括沃洛普斯基地（WFF）、美國空軍東海岸基地（ER）、里根試驗場（RTS）。如果從東海岸發(fā)射，就要使用美國宇航局或者美國空軍東海岸靶場的有關設施。

飛馬座的可選發(fā)射場

如果要向赤道軌道發(fā)射衛(wèi)星，就可以在夸賈林環(huán)礁靶場起飛。根據(jù)軌道科學公司與靶場簽訂的合同，在發(fā)射窗口期間，有關設施可以優(yōu)先用于“飛馬座”發(fā)射的任務支持。

一般來說，航天發(fā)射需要衛(wèi)星制造商和火箭制造商各自把產品送到發(fā)射場，在發(fā)射場處理和組裝，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”掛載，飛往西班牙馬德里，與西班牙制造的MINISAT-01衛(wèi)星結合，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，都運輸?shù)椒兜潜た哲娀剡M行組裝。這里專門為飛馬座火箭開辟了一個危險貨物處理區(qū)，外號叫“熱墊”。

在“熱墊”里有一整套火箭和衛(wèi)星處理設施，包括地面支持設備、總裝集成測試設備、軌道運輸裝置和運輸車。有些設備用于火箭的運輸、裝車和卸車，有些用于集成和測試，有些用于保證衛(wèi)星的環(huán)境控制。處理設施當中提供必要設備，來實現(xiàn)星箭結合，但是衛(wèi)星本身的處理設備需要衛(wèi)星業(yè)主自己提供。

星箭結合之后，將進行一系列的測試活動，包括相位測試、飛行模擬等等。其中需要對火箭的飛行計算機做專門測試。在測試當中，火箭的主要分系統(tǒng)，包括氣動控制面、冷氣控制系統(tǒng)、舵機指令系統(tǒng)都要確保合格。

至于衛(wèi)星本身，應該在發(fā)射前30天進入發(fā)射場。如果不是在范登堡空軍基地，而是在某個用戶選定的機場發(fā)射，就要再提前10天。在星箭結合之前，衛(wèi)星本身應該完成測試。為此，需要和發(fā)射場進行一些協(xié)調工作，危險品和有危險的工藝過程要提前120天協(xié)調。

“飛馬座”并不是掛上飛機就可以發(fā)射的。一般來說，要在發(fā)射前三四天就把它掛到載機上，然后進行各種機械和電氣接口的測試。這時候的飛機要用地面車輛來供電、供氣。有時候衛(wèi)星上會采用一些火工品，在臨近發(fā)射的時才會安裝上去。所以在火箭整流罩上留有艙門，在飛機起飛前一小時安裝。

當所有測試工作完成，地面車輛就會斷開與載機的所有連接，改由飛機發(fā)動機的動力向火箭及衛(wèi)星供電，保持整流罩內的環(huán)境。起飛前，要打開火箭上的各種保險。飛機起飛后10分鐘內，要擇機把電源供應切換到箭上電池。發(fā)射前45秒，火箭再次實施自檢，自檢通過后向發(fā)射控制室返回一個信號，然后飛行員根據(jù)控制室指令釋放火箭。