運載火箭空中發(fā)射深度剖析

吳柱　余華敏

據(jù)俄羅斯衛(wèi)星網(wǎng)近日報道，中國正在研制一種新型火箭，這種新型運載火箭采用固體燃料能將100千克載重送入近地軌道的火箭，還可以通過中國運20大型戰(zhàn)略運輸機進行發(fā)射。

人們早已習慣看到運載火箭從發(fā)射臺上拔地而起的鏡頭，從飛機上發(fā)射火箭多少有點讓人驚訝。實際上，近年來，作為新興航空航天技術之一，空中發(fā)射運載火箭越來越受到各國高度重視。運載火箭空中發(fā)射究竟需要哪些技術？有什么優(yōu)缺點？目前運用情況怎樣？本文我們來—探究竟——

基本原理及分類

運載火箭空中發(fā)射技術源于美、蘇在20世紀70年代爭霸背景下提出的反衛(wèi)星導彈、戰(zhàn)略導彈空基發(fā)射設想。這一發(fā)射方式主要采取內(nèi)置式重裝空投、內(nèi)置式重力空射、吊掛式懸吊一系索空投三類方式進行發(fā)射。

內(nèi)置式重裝空投

在準備投放階段，運載火箭平臥在飛機貨臺上的支架內(nèi)。一旦接收到投放指令，飛行器將解鎖貨臺與貨艙緊固連接裝置。保險在牽引傘釋放裝置的作用下打開，投出牽引傘。貨臺在巨大牽引力作用下被拖著沿導軌從尾艙門加速滑出，隨之張開三具減速主傘；當下降到一定高度時，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)動機隨即點火，在推力作用下運載火箭開始爬升。

內(nèi)置式重力空射

接到準備發(fā)射指令時，飛機就會完成裝載工作，處于待發(fā)射狀態(tài)。一旦飛機接到發(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)。緊接著機頭上仰一定角度飛行，釋放連接到一級發(fā)動機噴管外壁的小型穩(wěn)定傘，并解鎖緊固運載火箭的連接裝置，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做俯仰運動，尾部向前頭部向后，穩(wěn)定傘會產(chǎn)生適當?shù)淖枇?，以控制運載火箭所做的俯仰運動，使其以較低俯仰角速率運動。當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)，并按預定運載火箭軌跡飛行。

吊掛式懸吊-系索空投

運載火箭外掛在飛行器的機腹下，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的這個階段完全一樣。

綜合比較三種發(fā)射技術各有秋千。內(nèi)置式重裝空投技術要實現(xiàn)運載火箭的牽引出艙和減速降落，需要使用技術難度高且復雜的降落傘系統(tǒng)，貨臺/支架同時掉落將會給地面帶來安全隱患；此外，內(nèi)置式重裝空投技術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)射技術的優(yōu)點。而重力空射技術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。懸吊-系索空投技術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)濟等優(yōu)勢。運載火箭空中發(fā)射技術優(yōu)勢

運載火箭空中發(fā)射技術具有三大優(yōu)點：

經(jīng)濟實惠

飛機可以重復使用和隨時起飛，大大增強了航天發(fā)射的時效性，而火箭都是一次性使用的?，F(xiàn)代航天發(fā)射成本高昂最重要的原因就是一次性使用的火箭發(fā)動機太貴，空中發(fā)射能夠讓火箭省去一級火箭，大大降低發(fā)射成本。航天發(fā)射的運載火箭成本，99%都是火箭箭體成本，其中火箭發(fā)動機成本占絕大多數(shù)，而燃料成本不到1%。一個航天系統(tǒng)里燃料其實是幾乎最便宜的部分，貴的都是硬件，其中發(fā)動機就是“大頭”?？啥啻问褂玫陌l(fā)射系統(tǒng)也是為了只燒燃料不扔硬件。采用火箭空中發(fā)射技術，火箭每次發(fā)射的費用僅僅是從地面發(fā)射大小相同的常規(guī)火箭的一半。如果按每千克有效載荷的價格計算，用飛機發(fā)射衛(wèi)星的價格只相當于從地面發(fā)射的1/3。顯而易見，這種新穎的航天發(fā)射方式，與地面發(fā)射火箭比較起來，更為經(jīng)濟和更具競爭力。

靈活快速

從地面發(fā)射的液體燃料火箭準備時間長達數(shù)天、數(shù)周甚至更久，部分原因在于注入燃料需花費大量時間。相比之下，固體燃料火箭從飛機發(fā)射的速度較快，只需12小時準備。地面發(fā)射需要龐大基礎設施，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行發(fā)射，因此對地面基礎設施依賴度很低。太空的衛(wèi)星也會受敵方攻擊，通過運輸機發(fā)射火箭可以機動安全快速的發(fā)射衛(wèi)星上太空補充已被摧毀的衛(wèi)星。由于火箭可隨飛機到處飛，因此，空射運載火箭能隨心所欲地選擇發(fā)射區(qū)域，不受地理環(huán)境的限制，能克服發(fā)射范圍及天氣限制等問題，能夠克服戰(zhàn)時火箭發(fā)射場可能受到被敵方摧毀的威脅，有效增加發(fā)射窗口寬度。

節(jié)能環(huán)保高效

使用的飛機在現(xiàn)有大型機場跑道上即可起飛，完成釋放火箭任務后又可在同一軌道上進行降落，省去了專用的火箭發(fā)射臺，避免了地面污染和環(huán)境噪聲。從空中發(fā)射，載機相當于運載火箭的基礎級，能提高運載火箭本身的運載能力，同對等的從地面發(fā)射的運載火箭相比，運載能力幾乎可以提高一倍。把飛機作為整個發(fā)射系統(tǒng)的第一級，飛機的速度可使運載火箭的性能提高1%～2%，空中發(fā)射時發(fā)射高度上的氣壓只有海平面的25%。這樣，運載火箭的噴管就比較好設計，不必權衡從海平面到接近真空的工作環(huán)境的變化。另外，在高空發(fā)射運載火箭時不僅結(jié)構(gòu)和熱應力低，而且動壓也低，這對發(fā)射很有利。在有效載荷一定時，高空發(fā)射運載火箭所需要的總的速度可以降低10%～15%。

劣勢與難點

橫向運動速度不夠快

運載火箭能夠入軌，難點不在于飛得高，而在于飛的快，至少達到第一宇宙速度，即7.9km/s。因此，提高火箭的橫向運動速度，而非垂直高度，才是一次發(fā)射中的關鍵中的關鍵。不考慮火箭推進的試驗機，如今飛的最高最快的量產(chǎn)型噴氣式飛機是美國的SR-71“黑鳥”偵察機和蘇聯(lián)/俄羅斯用來克制它的米格-25/31截擊機，均可在最高3萬米以3倍聲速大約1000米/秒的速度進行飛行。且不說能扛一個火箭的飛機還能不能飛這么快，即使能，這個速度還是遠低于7900米/秒的第一宇宙速度，這并不能給火箭省多少力。此外，因為火箭的形狀本身不產(chǎn)生升力，脫離飛機后還必須分出一些推力向下噴來防止自己再掉下去，而垂直發(fā)射的火箭到達這個高度的時候已經(jīng)有足夠的向上速度矢量。

可靠性還需進一步改進

航天發(fā)射拼技術，更拼可靠性，把一個火箭系統(tǒng)的可靠性從99%提升到99.5%花的錢可以再造好多個可靠性達99%的火箭。而對于一次性的火箭和可重復使用的飛機，可靠性這個詞定義是完全不同的。單就發(fā)動機來說，火箭的工作時間只有幾十秒到幾分鐘，只要在這段時間內(nèi)不會出錯，這個火箭發(fā)動機就是可靠的。SpaceX的“獵鷹”火箭最早的噴口冷卻是靠在內(nèi)部加一層材料，這層材料過熱了就會逐片脫落，從而保護整個發(fā)動機。而航空噴氣式發(fā)動機上需要考慮的卻多得多，不僅僅是長時間工作，還需要多次冷起動，熱起動。

運載、分離難度高

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的飛行靈活性。特別是當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。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)。

控制運載火箭的空中姿態(tài)和制導難度大

運載火箭分離后，必須逐步調(diào)整姿態(tài)，只有在正確的方向才能進行發(fā)動機點火，所涉及的技術難度非常高。陸基發(fā)射的發(fā)射點坐標經(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)的初始對準技術具有很高的難度。空基發(fā)射運載火箭時，由于飛行器發(fā)射點的坐標無法精確確定，使得運載火箭進入發(fā)射前的定位信息無法準確獲取，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。

國外火箭空中發(fā)射技系統(tǒng)概況

美國

“飛馬座”系列

“飛馬座”采用外掛式安裝、投放發(fā)射方式。火箭最初從租用的美國空軍B-52飛機上發(fā)射，1992年5月，軌道科學公司購買了一架L-1011運輸機專門用作火箭的發(fā)射載機，并對其進行了改進?！帮w馬座”包括標準型和xL加長型兩個型號，標準型200千米近地軌道運載能力為375千克，XL加長型相同軌道運載能力為443千克。其中，“飛馬座”XL為有翼的三級固體運載火箭，翼展6.7米，火箭起飛質(zhì)量約23.1噸，全長16.9米，直徑1.27米。“飛馬座”1990年首飛成功，截至2013年已完成42次商業(yè)發(fā)射。根據(jù)對2000年前共70顆衛(wèi)星的發(fā)射情況統(tǒng)計分析，“飛馬座”系列運載火箭有效載荷的任務用戶包括美國國防部、美國國家航空航天局和軌道科學公司。有效載荷可分為4類，包括31顆低軌道通信衛(wèi)星、18顆技術實驗小型衛(wèi)星、16顆軍方或政府用小型衛(wèi)星、5顆小型商業(yè)衛(wèi)星?！帮w馬座”系列運載火箭服役期間的最高年發(fā)射次數(shù)為6次，發(fā)射價格約1400萬美元。

“快速到達”運載火箭

“快速到達”空射運載火箭采用機艙內(nèi)安裝、投放發(fā)射方式，其發(fā)射載機采用不經(jīng)改造的C-17A運輸機，投放高度為9000米，投放速度馬赫數(shù)為0.6。投放時，依靠火箭自身重力作用和傘的牽引作用實現(xiàn)機箭分離。目前已經(jīng)完成了階段性的設計工作，主要包括火箭原型設計、多次火箭發(fā)動機點火試驗、級間分離試驗等，2005-2006年已完成32.7噸、35噸等3次空中投放試驗，表明未經(jīng)改裝的C-17運輸機均可用于空射小型運載火箭，投放系統(tǒng)的通用性和可靠性都非常高。

“平流層發(fā)射”運載火箭及載機

“平流層發(fā)射”空射運載火箭的概念由美國平流層發(fā)射系統(tǒng)公司提出，軌道科學公司研制。該運載火箭借鑒“飛馬座”的研制經(jīng)驗，進一步加大了運載能力，并采用外掛式安裝、投放發(fā)射方式，載機為超大雙體運輸機ROC，飛行中運載火箭掛載在兩個機身之間。運載火箭為四級固體火箭，近地軌道運載能力6.8噸。根據(jù)公開報道，載機將在2016年進行首次試飛，預計2018年進行空中發(fā)射首次演示驗證。

俄羅斯

俄羅斯也很早就開始研究運載火箭空中發(fā)射技術，這種發(fā)射系統(tǒng)由1架改裝的安-124-100AL飛機、1枚兩級運載火箭和1個上面級組成，待飛機爬升到11千米的高空后，再釋放運載火箭，隨即后者點火逐級工作，完成發(fā)射程序。目前俄羅斯正與印尼合作推動一個名為“空中發(fā)射”的項目。其具體內(nèi)容是，俄大型運輸機飛臨印尼的比亞克島上空，飛機內(nèi)的輕型運載火箭離開機艙后點火升空，將衛(wèi)星送入預定軌道。2013年5月1日，俄羅斯預研基金會稱計劃于2020年實施“空中發(fā)射”方案，載機為安-225飛機。

日本

日本的M-V空射運載火箭方案由日本宇宙航空科學研究所提出，M-V火箭采用“背馱式”裝載在波音747上，當速度達到約馬赫數(shù)0.7，高度為10000米時脫離載機。M-V為帶翼三級固體火箭，全箭長17.25米，翼展6.6米，總質(zhì)量51.9噸。“空中發(fā)射系統(tǒng)技術”是日本政府資助的空中發(fā)射小型運載火箭項目，近地軌道運載能力為100～200千克，其載機可采用美國C-130運輸機等，火箭采用內(nèi)裝式。

烏克蘭

1994年，烏克蘭開始研究以伊爾-76TD發(fā)射起飛重量為18.5噸、運載能力為200千克的空射固體運載火箭。1996年至1997年，烏克蘭研究以安-124為載機，以SS-24二、三級為基礎的“鷹”空射固體運載火箭，還在研究用高能燃料的改進型空射固體運載火箭?！苞棥边\載器將從安-124-100運輸機上投放，完成運輸機的研制和改進費用為1億美元?！疤祉敗?的空射型號“黎明”更大，它由安225投放，低地軌道運載能力可以高達8000千克，而“鷹”將具有1000千克類似軌道的有效載荷能力。

瑞士

瑞士太空系統(tǒng)公司公布了一項研制可重復使用的小型衛(wèi)星發(fā)射系統(tǒng)的計劃，預計2017年進行首次飛行。該發(fā)射系統(tǒng)能夠從“空客”A300機頂空射一個可重復使用的類似于升力體的運載火箭，然后再依次釋放一個一次性的第三級段。發(fā)射系統(tǒng)是以法國達索公司的機載可重復使用“高超聲速飛行器”（VEHRA）概念為基礎研制。瑞士太空系統(tǒng)公司將利用這個發(fā)射系統(tǒng)將質(zhì)量250千克的有效載荷送入低地球軌道。該系統(tǒng)計劃于2017年發(fā)射，目前該公司已與馬來西亞太空發(fā)射場簽訂了協(xié)議。

發(fā)展趨勢

運載火箭空中發(fā)射是美、俄等航天強國競相發(fā)展的重要方向。美、俄均非常重視空間進入保障能力建設，紛紛建立完善的具有一定機動能力、可以快速發(fā)射的空間服務系統(tǒng)。其中，美國在“飛馬座”火箭已經(jīng)十分成熟和“快速到達”火箭內(nèi)裝式空投分離關鍵技術已突破的基礎上，通過“平流層發(fā)射”火箭和ALASA項目，將空射運載火箭的構(gòu)型范圍進一步拓展，從而實現(xiàn)微、小、中、大的全面覆蓋。

運載火箭空中發(fā)射代表了軍事裝備的新需求。“飛馬座”、“快速到達”和ALASA項目分別成為運載火箭在使用靈活性、快速響應性以及低成本上的新標志。比如“飛馬座”實現(xiàn)了從美國7個靶場進行起飛發(fā)射；“快速到達”擬實現(xiàn)在緊急情況下24小時內(nèi)完成16次發(fā)射的快速響應需求；ALASA項目通過選取新型推進劑和兩級共用發(fā)動機設計降低系統(tǒng)復雜度和成本，如果試驗成功，將使每次發(fā)射成本不超過100萬美元。

運載火箭空中系統(tǒng)轉(zhuǎn)向?qū)ｉT定制火箭?！帮w馬座”火箭購買了一架L-1011運輸機專門用作火箭的發(fā)射載機，并對其進行了改進。但隨著火箭技術的日趨成熟，為了進一步降低載荷發(fā)射成本，“快速到達”火箭和ALASA項目都采用了不需改進的載機平臺，從而實現(xiàn)在任何位置、時間發(fā)射載荷，火箭則可根據(jù)小型載荷進行專門設計。

編輯：戴嘉琦