最大飛機(jī)要當(dāng)太空發(fā)射尖兵

刑天

在《一千零一夜》中，辛巴達(dá)出海被棄置孤島，發(fā)現(xiàn)巨型鳥蛋，周長(zhǎng)達(dá)五十步。原來，這是大鵬之蛋。大鵬回巢，辛巴達(dá)系自己于鳥爪。日出后，辛巴達(dá)靠大鵬之?dāng)y帶，逃到高崖之上。古今中外，有關(guān)大鵬鳥的傳說比比皆是，大鵬成為了巨大的神鳥的代稱。而一架敢以“大鵬”來命名的飛機(jī)，當(dāng)然一定是非常大的了。

2017年5月31日，人們期盼很久的“同溫層發(fā)射系統(tǒng)”的載機(jī)終于在美國(guó)莫哈維沙漠的航空航天基地下線。該機(jī)名為“大鵬”。作為空中發(fā)射運(yùn)載火箭的載機(jī)，它必須能夠具備強(qiáng)大的載重能力，這使其擁有了目前世界上最長(zhǎng)的翼展（117米）。從這個(gè)角度來說，剛剛下線的這架飛機(jī)成為了世界上最大的飛機(jī)。

大師操刀

“同溫層發(fā)射系統(tǒng)”的載機(jī)的廠內(nèi)編號(hào)為Model 351，我們不妨在本文把她叫做M351號(hào)。該機(jī)翼展117.349米，機(jī)長(zhǎng)73.1米。整機(jī)重量為589.67噸，可攜帶230噸重的發(fā)射載荷飛行3 704.1千米。

M351的總設(shè)計(jì)師不是別人，卻正是伯特·魯坦本尊。他是美國(guó)加州理工大學(xué)航空工程學(xué)專業(yè)畢業(yè)的。現(xiàn)年74歲的魯坦做出過不少有趣的設(shè)計(jì)。在美國(guó)國(guó)家航空航天博物館的大廳內(nèi)懸吊的3架飛行器。能夠在這里展示的飛行器代表著它們背后都有著傳奇的故事和炫目的榮耀。中間一架長(zhǎng)相酷似大白的飛行器就是伯特·魯坦設(shè)計(jì)的太空船1號(hào)。這是人類首架由民營(yíng)企業(yè)研制的能夠載多人多次往返天地間的空天飛行器，榮獲了安薩里X大獎(jiǎng)。另外，打破環(huán)球飛行紀(jì)錄、引起眾人驚呼的多款飛行器，比如“海神”號(hào)、“白色騎士”2號(hào)都是他的手筆。

在追求大載重、遠(yuǎn)航程，另外還得漂亮的設(shè)計(jì)理念下，魯坦的M351延續(xù)了他一貫的設(shè)計(jì)風(fēng)格（尤其是與“白色騎士”2號(hào)有大量的相似之處）。整機(jī)大量應(yīng)用復(fù)合材料，而且大膽進(jìn)行結(jié)構(gòu)減重。

二手拼湊

作為一款空射火箭的載機(jī)，而且無論是設(shè)計(jì)師的履歷還是下線后該機(jī)的樣子，總是讓人想到“高大上”這個(gè)單詞。Bigger這個(gè)表示“比大更大”的單詞，其音譯本身就很“逼格”。但是，實(shí)際上，這是一架攢出來的飛機(jī)。

不妨回首看一眼M351下線的場(chǎng)景：潔白的機(jī)體，巨大的廠房，寬廣的大門。低頭看起落架。M351共有28個(gè)機(jī)輪：前起落架2個(gè)，主起落架分為6組（左右兩側(cè)各3組），每組4個(gè)機(jī)輪。等一下！有沒有突然覺得這家伙的起落架和機(jī)輪似曾相識(shí)，非常眼熟！

如果時(shí)光倒流，我們能夠跑回M351在工廠內(nèi)總裝的時(shí)候。我們還能夠發(fā)現(xiàn)那時(shí)還沒下線，從來沒有滑跑過的M351的機(jī)輪看上去舊舊的。喜歡飛機(jī)的人此時(shí)或許已經(jīng)能夠喊出來：這貨明明就是波音747的起落架！

波音747-400客機(jī)的主起落架為4組小車式布局，每組擁有4個(gè)機(jī)輪。M351同溫層發(fā)射系統(tǒng)載機(jī)則需要6組這樣的小車來組成主起落架，因此需要2架波音747客機(jī)來提供（實(shí)際上1架半就夠了，當(dāng)然買二手飛機(jī)通常不會(huì)像賣烤鴨那樣還能只買半只）。

在莫哈維航空航天基地的工程師們目睹M351下線的時(shí)候。我們一起認(rèn)出了該機(jī)的起落架實(shí)際上來自于波音747之后，是不是看到該機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)也覺得眼熟了？

的確，M351的發(fā)動(dòng)機(jī)也是從波音747上拆下來的。細(xì)看的話，M351采用了6臺(tái)原本用于波音747-400的PW4056渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)單臺(tái)推力為252.4千牛。每架波音747擁有4臺(tái)PW4056發(fā)動(dòng)機(jī)，而每架M351需要6臺(tái)。那么，需要拆多少架波音747才能滿足1架M351的需要呢？答：取整數(shù)，為2架。

本著追本溯源，一查究竟的精神，我仔細(xì)查找和翻閱了M351的研制單位“縮比復(fù)合材料”公司在最近幾年參與買賣二手客機(jī)的信息。結(jié)果，果然發(fā)現(xiàn)，在2011年，該公司就和美聯(lián)航商議購買2架波音747-400的事情了。研制M351的公司購買了美聯(lián)航的兩架二手波音747-400（編號(hào)分別為28715和28716）。

該公司從美聯(lián)航買的這2架波音747-400后來到哪里去了呢？大家不妨一起來到位于莫哈維沙漠的美國(guó)民用飛行器測(cè)試中心看一看。那里堆放了大量拆得只剩下“核心技術(shù)”的客機(jī)。往里面找找，我們就發(fā)現(xiàn)縮比復(fù)合材料購買的波音747-400就在這里。美聯(lián)航的涂裝還沒來得及刮掉（其實(shí)本來也不刮的）。買來的兩架二手波音747-400，輪兒沒了，發(fā)動(dòng)機(jī)也沒了，駕駛艙也沒了。實(shí)際上，這些都被縮比復(fù)合材料公司拆走裝在M351上面了。原來當(dāng)年他們購買二手波音747就是用來拆零件用的。

哈！不用研制，也不用測(cè)試，直接從成熟的客機(jī)上拆下來用，而且客機(jī)本身也是買的二手的，M351真是能夠節(jié)省成本的。仔細(xì)看的話，我們還可以發(fā)現(xiàn)那架波音747-400的駕駛艙也被拆了?？梢源竽懙?cái)喽ǎ何磥砩咸斓腗351同溫層發(fā)射系統(tǒng)載機(jī)的駕駛艙和二手波音747-400是一個(gè)樣子的。

說到了駕駛艙，我再補(bǔ)充一下：M351采用雙機(jī)身設(shè)計(jì)。機(jī)組人員集中在右側(cè)機(jī)身的機(jī)頭部位。左側(cè)那個(gè)則是用來放置飛行數(shù)據(jù)記錄儀和其他儀器設(shè)備的。

史上留名

同溫層發(fā)射系統(tǒng)，顧名思義，就是要用飛機(jī)將火箭運(yùn)到同溫層，然后釋放火箭的發(fā)射系統(tǒng)。同溫層發(fā)射系統(tǒng)準(zhǔn)備采用的空中發(fā)射運(yùn)載火箭的模型已經(jīng)正式對(duì)外公開。果然進(jìn)展順利的話，不出幾年，我們就能夠看到“大鵬”在空中發(fā)射運(yùn)載火箭的場(chǎng)景了。

實(shí)際上，人類對(duì)于從空中發(fā)射運(yùn)載火箭或者洲際彈道導(dǎo)彈是有過嘗試的：1974年10月24日，一架C-5運(yùn)輸機(jī)飛上了高空。貨艙門打開后，一枚“民兵”洲際彈道導(dǎo)彈從尾艙門那里跑了出來。這枚能夠攜帶核彈頭的洲際彈道導(dǎo)彈在這一天完成了空中發(fā)射試驗(yàn)。

但是，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)射是一個(gè)要素，能夠真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)運(yùn)營(yíng)，成功盈利，則是另一個(gè)同樣重要的要素。

空中發(fā)射火箭的優(yōu)勢(shì)主要有2個(gè)：

一是火箭本身擁有了一定的速度和高度，能夠以較少的燃料將載荷送入太空；endprint

二是火箭在同溫層發(fā)射，其發(fā)射時(shí)機(jī)基本上不再受天氣情況的影響。而載機(jī)飛到公海上空時(shí)，其一級(jí)落區(qū)可以不影響陸上居民，火箭對(duì)射向的選擇也比較自由。

但是，真正能夠?qū)崿F(xiàn)空中發(fā)射，至少要突破三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

一是火箭（或洲際彈道導(dǎo)彈）的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在發(fā)射時(shí)已經(jīng)隨著載機(jī)這個(gè)動(dòng)平臺(tái)飛行了一段時(shí)間，需要有專門的陀螺對(duì)準(zhǔn)算法來保證制導(dǎo)控制系統(tǒng)對(duì)位置和速度判斷的準(zhǔn)確性；

二是火箭（或洲際彈道導(dǎo)彈）與載機(jī)分離的時(shí)候，要避免與載機(jī)發(fā)生相撞事故；

三是要有載重量足夠的大型載機(jī)，才能為運(yùn)載火箭提供夠用的空中平臺(tái)。

M351這個(gè)載機(jī)空中平臺(tái)有了，而真正商業(yè)化的路，還有點(diǎn)長(zhǎng)。目前，世界上唯一在役并成功商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的空射運(yùn)載火箭是“飛馬座”火箭。

1990年4月5日，首枚“飛馬座”空射運(yùn)載火箭試射成功。其后不久，該火箭就高調(diào)亮相了。公眾第一次見到“帶翅膀”的運(yùn)載火箭。“飛馬座”是一款三級(jí)固體運(yùn)載火箭?；鸺睆?.27米，其基本型全長(zhǎng)16.91米，重18.5噸；XL型全長(zhǎng)17.61米，重23.13噸。按設(shè)計(jì)指標(biāo)，該火箭可以將重量在443千克以內(nèi)的載荷送入500千米高的近地軌道上。的尾翼采用全動(dòng)式的倒Y型設(shè)計(jì)。這種3片尾翼的設(shè)計(jì)在某些反艦導(dǎo)彈上也能見到。

前路漫漫

早期的“飛馬座”以B-52轟炸機(jī)的改進(jìn)型號(hào)為平臺(tái)。由B-52帶上萬米高空后釋放。該運(yùn)載火箭從1990年4月5日的首次試射到1994年，共有5次發(fā)射是從B-52載機(jī)上發(fā)射的。其中3次成功，2次部分成功。（所謂部分成功就是發(fā)射成功了，但是軌道高度比預(yù)定的低，衛(wèi)星在軌壽命受到了影響。比如第2次發(fā)射，衛(wèi)星的確上了天，但是軌道高度太低，設(shè)計(jì)壽命3年的衛(wèi)星只飛了6個(gè)月就再入大氣燒毀了。）

從1994年6月開始，軌道科學(xué)公司開始用他們購買的一架洛克希德L-1011客機(jī)作為“飛馬座”空射運(yùn)載火箭的載機(jī)了。L-1011是一款在技術(shù)上非常先進(jìn)的客機(jī)。性能優(yōu)異的導(dǎo)航系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)使得該機(jī)能夠在零能見度的機(jī)場(chǎng)進(jìn)行自主起降。高壓焊接技術(shù)的引入使L-1011的機(jī)身有很強(qiáng)的抗腐蝕能力。但是，從商業(yè)運(yùn)營(yíng)的角度來看，該機(jī)并不算成功。自1968年投產(chǎn)到1984年停產(chǎn)，共有250架L-1011走出總裝廠投入運(yùn)營(yíng)。這個(gè)產(chǎn)量使得洛克希德公司難以在該項(xiàng)目上獲得大量盈利。如今，人們已經(jīng)難覓L-1011的蹤影。但是，該機(jī)終究還是給熱愛航空的我們留下了深刻的印象。

從1997年8月29日的第17次發(fā)射到現(xiàn)在，飛馬座空射運(yùn)載火箭全部發(fā)射成功，沒有再出現(xiàn)過意外的狀況。飛馬座火箭，共43次發(fā)射，其中成功38次，部分成功2次，失敗3次。目前，飛馬座空射運(yùn)載火箭的發(fā)射報(bào)價(jià)為：5630萬美元。

被軌道科學(xué)公司購買的L-1011客機(jī)專門在機(jī)腹位置開了一個(gè)槽，以便容納飛馬座空射運(yùn)載火箭翹起來的小尾巴。同時(shí)，L-1011載機(jī)內(nèi)部也做了大量改進(jìn)。比如可以用機(jī)上的環(huán)境控制系統(tǒng)給“飛馬座”運(yùn)載火箭的整流罩內(nèi)通冷氣以便將載荷的溫度控制在比較優(yōu)化的范圍內(nèi)。

L-1011的起落架算是夠長(zhǎng)，能夠在肚子上帶了一枚火箭的情況下正常滑跑。

當(dāng)人們?cè)谟懻撐磥淼摹按簌i”也就是M351雙機(jī)身大飛機(jī)如何在空中發(fā)射火箭，以及火箭該怎么飛的時(shí)候，不妨看看已經(jīng)多次發(fā)射的“飛馬座”是怎么飛的。畢竟馬兒跑和驢子跑，樣子還是比例類似的。

從L-1011載機(jī)上釋放后，火箭先自由下落5秒鐘。這個(gè)設(shè)計(jì)是讓火箭與載機(jī)相隔一定距離后再點(diǎn)火，以避免火箭與飛機(jī)發(fā)生相撞事故。

在12.31千米高（也就是地面上方1.231萬米處）的地方，飛馬座火箭的第一級(jí)點(diǎn)火。

1分34秒后，第二級(jí)點(diǎn)火，此時(shí)飛馬座火箭已經(jīng)飛到了71.41千米高的地方。

2分12秒后，飛馬座火箭拋整流罩。火箭已經(jīng)飛到了115.93千米高的地方越過了100千米卡門線，進(jìn)入太空。

6分48秒后，第三級(jí)點(diǎn)火，火箭距離地面486.81千米。

7分57秒后，飛馬座火箭將衛(wèi)星送入軌道。

空中發(fā)射運(yùn)載火箭到底能省多少燃料？其優(yōu)勢(shì)難道真的主要在節(jié)省燃料這一方面么？還是和大家一起計(jì)算一下再下結(jié)論吧！

首先要說明的是：把衛(wèi)星送到軌道上，其對(duì)動(dòng)能的需求遠(yuǎn)大于對(duì)重力勢(shì)能的需求?；蛘邠Q句話說：飛得快比飛得高重要得多。這一點(diǎn)就可以讓那些“用氣球?qū)⒒鸺龓У礁呖赵侔l(fā)射”“運(yùn)到高山上再發(fā)射”等觀點(diǎn)消停一會(huì)兒了。當(dāng)然，具體來說，快比高重要多少呢？無需用軌道動(dòng)力學(xué)，僅用高中物理就足夠證明并概算了。

飛機(jī)、氣球能夠把運(yùn)載火箭帶到萬米高空，努力一下子的話，可以帶到2萬米的高空，也就是20千米高的地方。但是，實(shí)際上20千米的大氣層內(nèi)飛行高度相對(duì)于500千米的軌道高度來說，還是太低了。我們把氣球或者飛機(jī)的能力放大10倍！夠厲害了吧。然后來算一下，在200千米高的地方，動(dòng)能與重力勢(shì)能哪個(gè)是占能量需求的主要部分的吧。萬有引力提供向心力，根據(jù)這個(gè)，再代入地球質(zhì)量和萬有引力常數(shù)，我們能夠算出200千米高的地方，火箭需要有7.8千米/秒的速度。假設(shè)我們要把一個(gè)1千克的載荷送到200千米高度的地方，其重力勢(shì)能為1.96兆焦耳，而其動(dòng)能則高達(dá)30.42兆焦耳，足足是重力勢(shì)能的15.5倍！也就是說，哪怕是把飛機(jī)、氣球的能力放大10倍，僅靠抬升高度的方法，對(duì)于火箭來說也僅僅能夠節(jié)省6.06%的能量。由此說來，那種晃晃悠悠把火箭慢慢送到高空的方法，并不能從本質(zhì)上讓發(fā)射火箭變得容易。

不過，在發(fā)射前賦予火箭一定的初速度，對(duì)火箭來說的確是有幫助的。從高空發(fā)射火箭的另外的好處就是避開了較為稠密的大氣，讓空氣阻力的影響盡量減小，從而也能節(jié)省一部分燃料。摸清楚飛馬座火箭的氣動(dòng)特性后，我們就能夠進(jìn)行進(jìn)一步地計(jì)算了。按照速度增量來說，空中發(fā)射的運(yùn)載火箭節(jié)省了地面發(fā)射的運(yùn)載火箭在前20秒內(nèi)燃燒的燃料。如果綜合考慮其他因素的話，節(jié)省的燃料還會(huì)更多?；蛘?，從另外一個(gè)角度來計(jì)算：如果這枚飛馬座火箭不由L-1011帶到高空發(fā)射，而是從地面發(fā)射的話，需要在火箭尾部增加一個(gè)怎樣的助推級(jí)呢？

略掉計(jì)算過程，直接給出計(jì)算結(jié)果吧：為減少氣動(dòng)阻力，我們?nèi)圆捎弥睆?.27米的設(shè)計(jì)（與飛馬座火箭直徑相同）。那么，我們需要6.861噸的HTPB固體火箭燃料。即使保守估計(jì)，這枚助推器的殼體也會(huì)有1噸重。也就是說，用L-1011空射18.5噸重的飛馬座火箭如果改為從地面發(fā)射的話，需要加上一個(gè)7.861噸重的固體火箭助推器?？丈溥\(yùn)載火箭與地面發(fā)射的運(yùn)載火箭之間的對(duì)比，小火箭覺得用這個(gè)計(jì)算結(jié)果已經(jīng)比較能夠說明問題了。歡迎工程師們和愛好者們提供自己的計(jì)算結(jié)果，一起討論。本文在這里算是拋磚引玉了。endprint