飛行器空基發(fā)射運載火箭技術(shù)研究

涂良輝，楊 昆，王 英，王 直，溫智翔，張方成

（中航工業(yè)洪都, 江西 南昌330024）

0 引 言

傳統(tǒng)火箭發(fā)射方式是在固定的發(fā)射場發(fā)射，發(fā)射地點、發(fā)射窗口等受到很多限制。 而采用飛行器空中發(fā)射運載火箭則可以在任意的空域、 任意的時間發(fā)射，具有自主性、機(jī)動性、靈活性、快速響應(yīng)和部署等優(yōu)點，是一種比在地面發(fā)射火箭更便宜、簡單的方法。 目前，作為新興航空航天技術(shù)，飛行器空基發(fā)射運載火箭越來越受到各國高度重視。

本文綜述了國外飛行器空基發(fā)射運載火箭的現(xiàn)狀， 對飛行器空基發(fā)射運載火箭的技術(shù)及其難點進(jìn)行了梳理， 并分析了飛行器空基發(fā)射運載火箭的力學(xué)問題。

1 國外空基發(fā)射運載火箭現(xiàn)狀

1.1 美國

美國于上世紀(jì)80年代末，放棄了部分的原有大型軍事計劃， 開始研制具有一定經(jīng)濟(jì)意義的民用項目，如圖1 為軌道科學(xué)公司的L-1011 運輸機(jī)空射固體小型運載火箭“飛馬座”。 運載火箭“飛馬座”采用的吊掛式水平投放發(fā)射技術(shù)已經(jīng)過了多次成功發(fā)射，“飛馬座” 是迄今為止世界上唯一投入商業(yè)運營的空射運載火箭。 “飛馬座”運載火箭的成功發(fā)射，打開了飛行器空基發(fā)射技術(shù)實用化的成功之門。

圖1 軌道科學(xué)公司的L-1011 運輸機(jī)空射“飛馬座”運載火箭

1.2 前蘇聯(lián)/俄羅斯

蘇聯(lián)解體前， 南方設(shè)計局曾設(shè)想設(shè)計一種采用以安-124CK 為載機(jī)、運載火箭為固體燃料火箭發(fā)動機(jī)、 兩種改進(jìn)的控制裝置和一個整流罩配套而成的空射運載火箭系統(tǒng)， 該項目由于前蘇聯(lián)解體而沒有最終完成。 原來研發(fā)洲際導(dǎo)彈的設(shè)計局在前蘇聯(lián)解體后相繼提出了許多運載火箭方案， 其中包含了空基發(fā)射方案， 但都由于高額的研發(fā)費用和巨大的空基發(fā)射技術(shù)難題而被擱置。 俄羅斯致力于改變其沒有實用化空基發(fā)射運載火箭的狀況，在1999年提出全力研發(fā)“飛行”號空基發(fā)射運載系統(tǒng)（如圖2），并改裝了空中載機(jī)安-124 運輸機(jī)和建立了空射航天中心。 “飛行”號的發(fā)射費用明顯低于地面發(fā)射，具有極強(qiáng)的競爭力。

圖2 “飛行”號空基發(fā)射運載系統(tǒng)示意

2 空基發(fā)射運載火箭優(yōu)勢

運載火箭的發(fā)射有多種多樣， 其中按發(fā)射基點主要分為陸基發(fā)射和空基發(fā)射兩種。

2.1 陸基發(fā)射運載火箭

陸基發(fā)射是以陸地作為運載火箭發(fā)射基點的發(fā)射方式。 陸基發(fā)射運載火箭雖然具有技術(shù)成熟和使用難度低的優(yōu)點，但是還存在以下問題：

1）對地面發(fā)射基礎(chǔ)設(shè)施依賴性強(qiáng)；

2）發(fā)射準(zhǔn)備時間長；

3）發(fā)射窗口少；

4）運載火箭燃料、能量消耗大；

5）發(fā)射費用昂貴。鑒于上述問題， 各國工程師們開始重點研究空基發(fā)射等其他更加靈活的發(fā)射方式。

2.2 空基發(fā)射運載火箭

空基發(fā)射運載火箭是指以飛行器(大型貨運飛機(jī)、軍用運輸機(jī)、戰(zhàn)略轟炸機(jī)或是某些特種航空器)為平臺將運載火箭攜帶到高空后釋放分離， 獲得正確姿態(tài)后，運載火箭發(fā)動機(jī)點火并進(jìn)入空間軌道。

按照運載火箭在飛行器上的裝載方式， 空基發(fā)射運載火箭的方式主要分為背駝式、 吊掛式、 內(nèi)置式、 拖曳式、 空中加油式和氣球或飛艇空中發(fā)射六種。 其中吊掛式是目前最為成熟的空基運載火箭發(fā)射方式， 氣球或飛艇空中發(fā)射方式僅處于概念設(shè)想階段。

高空發(fā)射運載火箭方式可以有效消除或減輕陸基發(fā)射的種種不足，具有很多獨特優(yōu)勢：

1）對地面發(fā)射基礎(chǔ)設(shè)施依賴性低

地面發(fā)射需要龐大基礎(chǔ)設(shè)施， 精心規(guī)劃排定整個發(fā)射流程，充分考慮發(fā)射場及落區(qū)的安全性。 空基運載火箭可以在空中進(jìn)行發(fā)射， 因此對地面基礎(chǔ)設(shè)施依賴度很低。

2）縮短發(fā)射準(zhǔn)備時間

由于飛行器空基發(fā)射運載火箭不需要原有的地面發(fā)射準(zhǔn)備過程，因此可以大幅縮短發(fā)射準(zhǔn)備時間。

3）發(fā)射條件靈活

由于實現(xiàn)了高空發(fā)射， 因此氣象條件帶來的影響遠(yuǎn)小于常規(guī)地面發(fā)射方式， 而且可以做到隨時需要隨時發(fā)射。

4）減少發(fā)射燃料

飛行器給運載火箭提供了一定的初始速度和高度，可節(jié)省運載火箭的推進(jìn)劑消耗，減少發(fā)射燃料。

5）大幅度降低發(fā)射費用

飛行器可以在一般機(jī)場起降， 不需要建設(shè)龐大的地面配套設(shè)施，大為縮減了人員數(shù)量，從而大大降低了發(fā)射費用，空中發(fā)射火箭具有很好的經(jīng)濟(jì)性。

3 空基發(fā)射運載火箭技術(shù)及其難點

3.1 空基發(fā)射運載火箭技術(shù)

1）內(nèi)置式重裝空投技術(shù)

在準(zhǔn)備投放階段， 運載火箭平臥在貨臺上的支架內(nèi)。 一旦接收到授權(quán)投放指令，飛行器將解鎖貨臺與貨艙緊固連接裝置。 保險在牽引傘釋放機(jī)構(gòu)的作用下打開，投出牽引傘。 均勻張開連接到貨臺上的兩具牽引傘， 這時貨臺在巨大牽引力作用下被拖著沿導(dǎo)軌從尾艙門加速滑出，隨之張開三具減速主傘；當(dāng)下降到一定高度時， 運載火箭的姿態(tài)將被調(diào)整到接近垂直位置， 爆炸螺栓將環(huán)抱運載火箭的連接裝置立即切斷，運載火箭分離，一級發(fā)動機(jī)隨即點火，在推力作用下運載火箭開始爬升。

2）內(nèi)置式重力空射技術(shù)

發(fā)射前，飛行器在某一高度巡航飛行。 接到準(zhǔn)備發(fā)射指令時，飛行器就會完成裝載工作，處于待發(fā)射狀態(tài)。 一旦飛行器收到授權(quán)發(fā)射指令，就會打開尾艙門，并調(diào)整斜面艙門使其保持在水平狀態(tài)。 緊接著機(jī)頭上仰一定角度飛行， 把連接到一級發(fā)動機(jī)噴管外壁的小型穩(wěn)定傘釋放出來， 并解鎖緊固運載火箭的連接裝置， 這樣運載火箭在重力的作用下將會沿著發(fā)射托架的傳送輪胎快速滑動， 幾秒鐘后運載火箭從飛行器艙門中滑出。 運載火箭的尾部先落下，在重力作用下運載火箭會繞重心作俯仰運動， 尾部向前頭部向后， 穩(wěn)定傘會產(chǎn)生適當(dāng)?shù)淖枇磉_(dá)到控制運載火箭所作的俯仰運動的目的， 使其以較低俯仰角速率運動；當(dāng)運載火箭處于接近垂直位置時，穩(wěn)定傘的傘繩將被切斷，一級發(fā)動機(jī)點火，在推力矢量控制系統(tǒng)的作用下運載火箭保持穩(wěn)定狀態(tài)， 并按預(yù)定運載火箭軌跡飛行。

3）吊掛式懸吊-系索空投技術(shù)

運載火箭外掛在飛行器的機(jī)腹下， 運載火箭的重心處有一個掛載連接點， 其頭部也有一個系索連接點。 發(fā)射前， 空中載機(jī)攜帶運載火箭爬升到一定高度， 保持水平巡航飛行， 連接到一級發(fā)動機(jī)噴管外壁的小型穩(wěn)定傘會先展開， 緊接著解鎖斷開連接運載火箭重心處的掛載裝置， 運載火箭尾部先于頭部落下， 連接頭部的系索經(jīng)過一個短暫的延時后再斷開， 運載火箭在重力的作用下會產(chǎn)生俯仰力矩， 接下來的過程與重力空射技術(shù)的這個階段完全一樣。

4）三種發(fā)射技術(shù)的比較

“教材無非是個例子”。教材中出現(xiàn)的“生活主題”“生活場景”大多不是學(xué)生現(xiàn)實生活中原汁原味的生活場景。因此，教師應(yīng)充分挖掘?qū)W生的生活，調(diào)動學(xué)生的已有經(jīng)歷，從熟悉的事物、場景入手，讓呈現(xiàn)內(nèi)容能觸及學(xué)生的內(nèi)心，形成感動體驗，達(dá)成價值目標(biāo)。

內(nèi)置式重裝空投技術(shù)要實現(xiàn)運載火箭的牽引出艙和減速降落， 需要使用技術(shù)難度高且復(fù)雜的降落傘系統(tǒng)， 貨臺/支架同時掉落將會給地面帶來安全隱患； 特別是內(nèi)置式重裝空投技術(shù)損失了運載火箭的初始高度和速度， 在一定程度上抵消了空基發(fā)射技術(shù)的優(yōu)點。 而重力空射技術(shù)可以有效地避免以上缺點，是一種最簡單、安全、可靠和高效的空基發(fā)射技術(shù)。 懸吊-系索空投技術(shù)則利用延時和重力作用，使投放的運載火箭在飛行器后方實現(xiàn)了穿越， 具有簡單、安全、可靠、高效和經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢。

3.2 空基發(fā)射運載火箭難點

1）運載難度高

裝載具有較大尺寸和重力的運載火箭， 對飛行器的承載能力要求很高， 同時也要仔細(xì)考慮飛行器與運載火箭的匹配性。 這不僅要求具備大型飛行器，還須具有改裝飛行器和運載火箭的能力。 運載火箭裝載后，由于其運載火箭體積和重量都較大，會在很大程度上限制載機(jī)的飛行靈活性。 特別是當(dāng)運載火箭外掛在飛行器上時， 將對飛行器的承載能力要求更高。

2）投放分離難度大

飛行器飛行速度越快，投放高度越高，運載火箭具有的初始速度就會越高，所需要的燃料也就越少。但是飛行器速度高、運載火箭重量大，這不僅要求飛行器具有較高的承載能力， 而且大型運載火箭在投放后，又會突然減輕飛行器的重量，使飛行器處于失控的危險狀態(tài)中。

3）控制運載火箭的空中姿態(tài)難度大

運載火箭分離后，必須逐步調(diào)整它的姿態(tài)，只有在正確的方向才能實現(xiàn)發(fā)動機(jī)點火， 這個過程涉及的技術(shù)難度非常高。

4）制導(dǎo)難度大，研發(fā)費用高昂

陸基發(fā)射的發(fā)射點坐標(biāo)經(jīng)過精確測量， 而空基發(fā)射的運載火箭屬于動基座， 要掌握動基座下慣性系統(tǒng)的初始對準(zhǔn)技術(shù)具有很高的難度。 空基發(fā)射運載火箭時，由于飛行器發(fā)射點的坐標(biāo)無法精確確定，使得運載火箭進(jìn)入發(fā)射前的定位信息無法準(zhǔn)確獲取， 是飛行器空基發(fā)射運載火箭難于陸基發(fā)射的重要因素。

4 空基發(fā)射運載火箭受力分析

目前飛行器空基發(fā)射運載火箭主要是利用重力的影響，再輔以小型穩(wěn)定傘來調(diào)整運載火箭姿態(tài)，以便達(dá)到合適的點火姿態(tài)。 運載火箭從飛行器上分離，無論是采用內(nèi)置式重力空射技術(shù)還是吊掛式懸吊-系索空投技術(shù)， 二者都用小型穩(wěn)定傘來輔助調(diào)整運載火箭的姿態(tài)。 小型穩(wěn)定傘的受力分析如圖3 所示。

圖3 小型穩(wěn)定傘的受力分析

由一般運載火箭結(jié)構(gòu)和重量分布可知， 運載火箭后半部充滿燃料， 所以運載火箭的重心位置靠近其尾部。

小型穩(wěn)定傘的作用點一般位于運載火箭尾部的某一點，令其與運載火箭軸線距離為Zp，距離重心為Xp，根據(jù)阻力產(chǎn)生的原理，小型穩(wěn)定傘產(chǎn)生的阻力可表示為F=CDSAq，其中F 為傘的載荷，q 為動壓，CD為傘阻力系數(shù)，SA為傘面積。 小型穩(wěn)定傘產(chǎn)生的傘阻力可分解為運載火箭在三個體軸上受到的力和力矩，見式（1）。

進(jìn)一步將小型穩(wěn)定傘引起的六個力與力矩分量轉(zhuǎn)化為無量綱系數(shù)的形式，表達(dá)式如式(2)所示。

由上式可知， 小型穩(wěn)定傘對運載火箭在俯仰和偏航方向都能產(chǎn)生一定的力矩作用， 考慮到實際情況中，運載火箭除了受垂直方向的空氣阻力，還可能受偏航方向的氣流影響， 故穩(wěn)定傘對運載火箭進(jìn)一步的運動起到了很好的調(diào)節(jié)作用， 有助于運載火箭更好的達(dá)到所需要的姿態(tài)。

運載火箭在空中運動， 受沿運載火箭分布的空氣阻力擾動（如圖4）。重心前后兩部分的空氣阻力作用力分別對重心取力矩，易知f1·x1＞f2·x2，故運載火箭尾部有向下擺動的力矩。 由于傘阻力F 的作用，使得原本難以控制的擺動狀態(tài)， 通過小型穩(wěn)定傘來控制運載火箭尾部向下擺動幅度的大小， 使運載火箭處于一個穩(wěn)定可靠的狀態(tài)。

圖4 運載火箭的空氣阻力擾動示意

最終運載火箭在小型穩(wěn)定傘力矩的輔助作用下，逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在進(jìn)行微調(diào)之后，拋去小型穩(wěn)定傘，點火發(fā)射，實現(xiàn)了飛行器空基發(fā)射運載火箭的目的，如圖5 所示。

圖5 運載火箭逐漸達(dá)調(diào)整到點火姿態(tài)

5 結(jié) 語

與陸基相比， 飛行器空基發(fā)射運載火箭由于不需要原有的地面發(fā)射裝置和準(zhǔn)備過程， 可以有效地降低發(fā)射成本并大幅縮短發(fā)射準(zhǔn)備時間； 由于實現(xiàn)了高空發(fā)射， 因此受氣象條件影響遠(yuǎn)小于常規(guī)地面發(fā)射方式，可以做到隨時需要隨時發(fā)射。 鑒于上述優(yōu)點， 飛行器空基發(fā)射運載火箭技術(shù)已經(jīng)得到了各航空航天大國的高度重視， 了解和掌握該技術(shù)具有重要的軍民兩用價值。

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