飞马座火箭：空射火箭先行者

“飞马座”计划始于1987年春，是由当时的轨道科学公司和大力神航空航天公司自筹资金研制的，没有得到任何政府资助。不过在开发早期的挂飞试验和最初几次飞行期间，美国宇航局提供了B-52轰炸机改造而来的试验母机，也算是承担了一部分成本。此外，最初的两个客户轨道通信星座和地球观测星座预付了一部分款项。

1990年4月5日，美国宇航局试飞员、前航天员戈登·富勒顿指挥载机升空，实施了飞马座火箭的第一次发射。美国国防高级研究计划局（DARPA）是飞马座火箭的第一个客户。当时DARPA签订了5次发射意向，但实际上只落实了1次，其余4次都移交给了美国空军。

到1994年，轨道科学公司购买了一架退役的洛克希德公司L-1011客机，命名为“观星者”号，以此向《星际迷航：下一代》中的“观星者”号联邦星舰致敬。

1993年，美国宇航局发布了一份小型一次性运载火箭服务（SELVS）的招标书，要求性能略高于原“飞马座”。1994年轨道科学公司和大力神公司开发了XL版本，以满足美国宇航局的要求。“飞马座”XL第一级和第二级火箭加长，第三级没有改变。飞行操作流程依旧，对“观星者号”的机翼做了加强，可以承载更大的火箭，是现在的主力型号。

“飞马座”在美国国内的评价相当不错，安东尼奥·埃利亚斯领导的研制小组在1991年获得了时任美国总统布什颁发的国家技术奖章。

“飞马座”最初的发射价格为600万美元，当时还没有配套肼辅助推进系统（HAPS）上面级。后来的“飞马座”XL发射价格大幅度上涨，美国宇航局的电离层连接探测器（ICON）任务就用这种火箭发射，合同总金额达到5630万美元，其中包括“固定发射服务成本，航天器处理，有效载荷集成，跟踪、数据和遥测以及其他发射支持要求”，发射在2019年10月11日实施。

在其44次发射历史中，“飞马座”有3次任务失败（STEP-1、STEP-2和HETI/SAC-B），两次部分失败（USAFMicrosat和STEP-2），随后连续30次成功飞行，总成功率为89%。1991年7月17日的第一次部分失败导致美国空军的7颗微型卫星没有进入预定轨道。1996年11月4日的失败导致伽玛暴识别卫星丢失。

火箭结构

“飞马座”和地面起飞火箭的最大区别就是有翅膀，它不仅仅有主翼，还有尾翼。尾翼组件由后裙、水平尾翼和单垂尾、舵机组成。尾翼组件是传统的全铝结构框架和应力蒙皮组成，尾翼的转动轴用钛合金制成。

飞马座火箭结构示意图

作为一种固体火箭，“飞马座”不可避免地要面对精度比较差的问题。固体发动机存在着推力偏心，也就是说，推力和火箭轴线之间存在着横向偏移量和方向偏离角。这种情况在液体发动机上就轻得多。“飞马座”的上面级就是为了修正这个偏离量而设置的。如果用户对精度要求不高、不设置HAPS上面级，那么三级火箭在与载机分离后10分钟即完成任务，星箭分离。如果配备了HAPS上面级，将由它把卫星送入最终轨道。

飞马座XL火箭的无HAPS飞行程序

飞马座 XL 火箭的有 HAPS 飞行程序

在飞行期间，火箭的姿态由冷气推力矢量控制系统负责调解。箭上装有液氮气罐，通过液氮的喷射来形成控制力矩。

灵活选择发射地点

飞马座火箭充分体现了空射火箭的优势，那就是可以非常灵活地选择发射位置和发射方向，甚至可以灵活选择飞机起飞的位置。

火箭载机的主要基地就是范登堡空军基地，可以实现70°〜130°之间的轨道倾角，包括极轨道和大倾斜轨道。如果需要更大的倾角，就要和靶场管理部门进行额外的分析和协调。如果要实现较低的倾角，可以通过火箭在空中大幅度变轨来实现，但这样会消耗很多推进剂，造成运载能力的下降。同样，在范登堡空军基地发射时，可能有一些特殊的落区安全要求，导致某些倾角无法实现。好的一方面是，在这里发射时可以利用当地的测控跟踪通信设施。

“飞马座”还可以在其他靶场发射，包括沃洛普斯基地（WFF）、美国空军东海岸基地（ER）、里根试验场（RTS）。如果从东海岸发射，就要使用美国宇航局或者美国空军东海岸靶场的有关设施。

飞马座的可选发射场

如果要向赤道轨道发射卫星，就可以在夸贾林环礁靶场起飞。根据轨道科学公司与靶场签订的合同，在发射窗口期间，有关设施可以优先用于“飞马座”发射的任务支持。

一般来说，航天发射需要卫星制造商和火箭制造商各自把产品送到发射场，在发射场处理和组装，然后起飞。但是“飞马座”采用固体火箭、空中发射的方式，可以让载机带着火箭去“凑”卫星。1997年，“飞马座”在范登堡基地集成后，由“观星者号”挂载，飞往西班牙马德里，与西班牙制造的MINISAT-01卫星结合，然后前往大加那利岛，发射成功。

飞行程序

“飞马座”的主要部件出厂后，都运输到范登堡空军基地进行组装。这里专门为飞马座火箭开辟了一个危险货物处理区，外号叫“热垫”。

在“热垫”里有一整套火箭和卫星处理设施，包括地面支持设备、总装集成测试设备、轨道运输装置和运输车。有些设备用于火箭的运输、装车和卸车，有些用于集成和测试，有些用于保证卫星的环境控制。处理设施当中提供必要设备，来实现星箭结合，但是卫星本身的处理设备需要卫星业主自己提供。

星箭结合之后，将进行一系列的测试活动，包括相位测试、飞行模拟等等。其中需要对火箭的飞行计算机做专门测试。在测试当中，火箭的主要分系统，包括气动控制面、冷气控制系统、舵机指令系统都要确保合格。

至于卫星本身，应该在发射前30天进入发射场。如果不是在范登堡空军基地，而是在某个用户选定的机场发射，就要再提前10天。在星箭结合之前，卫星本身应该完成测试。为此，需要和发射场进行一些协调工作，危险品和有危险的工艺过程要提前120天协调。

“飞马座”并不是挂上飞机就可以发射的。一般来说，要在发射前三四天就把它挂到载机上，然后进行各种机械和电气接口的测试。这时候的飞机要用地面车辆来供电、供气。有时候卫星上会采用一些火工品，在临近发射的时才会安装上去。所以在火箭整流罩上留有舱门，在飞机起飞前一小时安装。

当所有测试工作完成，地面车辆就会断开与载机的所有连接，改由飞机发动机的动力向火箭及卫星供电，保持整流罩内的环境。起飞前，要打开火箭上的各种保险。飞机起飞后10分钟内，要择机把电源供应切换到箭上电池。发射前45秒，火箭再次实施自检，自检通过后向发射控制室返回一个信号，然后飞行员根据控制室指令释放火箭。

飞马座火箭的飞行准备程序

典型的发射程序是：载机在大约11900米的高度和0.82倍音速下释放“飞马座”。约5秒后，载机已经进入安全区，“飞马座”一级点火。火箭迅速加速到超音速，同时开始爬升机动。最大气动压力在点火后大约30秒出现。在大约15~20秒时，火箭降低攻角，进入相对平缓的弹道。一级分离后不久，火箭二级点火，当气动压力和气动加热下降到允许程度时，抛掉整流罩。在脱离载机后大约121秒，火箭抵达大约112千米高度二级关机，火箭进入滑行状态，第三级火箭和有效载荷达到预定轨道高度。

从载机上释放后，“飞马座”就要进入自主飞行状态，完全依靠自己来实现姿态控制。这个过程分成两个阶段，第一级采用指令控制下的程序飞行，第二级、第三级采用自适应算法制导。

一旦飞行中出现意外，就需要炸毁火箭、中止飞行，以免它落入居民区。所以，“飞马座”上装有“飞行终止系统”（FTS），可以在地面指令下控制火箭自毁。

如果发生特殊情况，载机可以带着“飞马座”，在30分钟内返回机场。然后，工作人员要在24小时内解除火箭的发射状态。在应急降落的机场，只能为卫星提供最低限度的支持服务。对于有些卫星来说，业主需要告知星上电池能续航多久，以便及时采取行动。

在“飞马座”XL飞行任务中，绝大多数实现了30千米以内的轨道高度误差，倾角误差小于0.05度。

飞马座XL空射火箭