“平流層發(fā)射”大型載機(jī)成功首飛的分析

劉琳 （北京宇航系統(tǒng)工程研究所）

2019年4月13日是個值得航空史銘記的日子，世界上私營航天企業(yè)的“平流層發(fā)射”（Stratolaunch）大型載機(jī)首飛成功，一舉創(chuàng)造了“翼展最長、掛載能力最大、雙體機(jī)、火箭專用”等多項航空史記錄。這架專門為航天應(yīng)用而研發(fā)的飛機(jī)，在創(chuàng)造歷史的同時也為大型空射運(yùn)載火箭的應(yīng)用鋪平了道路。本文結(jié)合此次首飛試驗情況，對其特點進(jìn)行了梳理，對其項目進(jìn)展進(jìn)行了回顧，并對其影響進(jìn)行了分析。

1 平流層發(fā)射大型載機(jī)首飛分析

首飛情況

2019年4月13日，世界上最大的飛機(jī)“平流層發(fā)射”在美國加利福尼亞州的莫哈韋沙漠順利升空，其機(jī)身及主翼由復(fù)合材料制成，采用雙機(jī)身設(shè)計，翼展長度達(dá)到117m，配備了6臺波音747飛機(jī)的同款發(fā)動機(jī)，飛機(jī)起落架共有28個機(jī)輪。起飛后，以304km/h（馬赫數(shù)約為0.26）的飛行速度在莫哈韋沙漠上空5182m的高度連續(xù)飛行了2.5h，隨后返回莫哈韋航空航天港，安全著陸，成功完成首飛。

這架翼展超過標(biāo)準(zhǔn)足球場的移動發(fā)射平臺，將被用于直接從萬米高空發(fā)射火箭，提供一種比陸基發(fā)射運(yùn)載火箭方式更為靈活、更多選擇的航空式太空進(jìn)入方式，也為近些年熱議的低成本發(fā)射技術(shù)提供了新途徑。

首飛意義

（1）翼展第一、質(zhì)量第二

該飛機(jī)采用獨特的雙機(jī)身設(shè)計，兩個機(jī)身分別長約73m，翼展達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的117m，超過標(biāo)準(zhǔn)足球場105m的長度，是長期保持“世界最大飛機(jī)”紀(jì)錄的安-225運(yùn)輸機(jī)的1.32倍，達(dá)到了全球最大民航客機(jī)—空客A380-800客機(jī)的1.47倍，是航空史上翼展最大的飛機(jī)。起飛質(zhì)量達(dá)到590t，達(dá)到了安-225運(yùn)輸機(jī)質(zhì)量的92%，是空客A380-800飛機(jī)的1.05倍，排名世界第二。

平流層發(fā)射載機(jī)與其他大型飛機(jī)比較

平流層發(fā)射載機(jī)的主要參數(shù)

（2）外掛能力世界第一

根據(jù)官方數(shù)據(jù)，該飛機(jī)在兩個機(jī)身之間的“中心翼”部分，最多可以搭載227t的有效載荷，相當(dāng)于該飛機(jī)能夠同時承重3發(fā)長征11號運(yùn)載火箭，或者四架波音737飛機(jī)，或者一百多輛奧迪A6轎車。這樣的驚人的外掛能力直接決定了十分可觀的運(yùn)載能力，平流層發(fā)射系統(tǒng)公司（Stratolaunch System）于2018年8月推出的四型空射火箭方案，最多可以將6t的有效載荷送入預(yù)定軌道，并計劃在首次入軌發(fā)射任務(wù)中一次性攜帶3枚飛馬座空射火箭，完成3個不同的發(fā)射任務(wù)。

項目發(fā)展回顧

2011年12月，平流層發(fā)射系統(tǒng)公司成立后，開始研制平流層空射運(yùn)載火箭系統(tǒng)，委托空間探索技術(shù)公司（SpaceX）研制空射運(yùn)載火箭、斯凱爾德復(fù)合材料公司建造載機(jī)、Dynetics公司提供運(yùn)載火箭與載機(jī)的對接和集成系統(tǒng)。

2012年11月，平流層發(fā)射系統(tǒng)公司宣布與SpaceX公司解除合作關(guān)系。之后，平流層發(fā)射系統(tǒng)公司委托“飛馬座”（Pegasus）火箭研制方軌道科學(xué)公司（Orbital Sciences Corporation）完成了運(yùn)載火箭的初步設(shè)計和系統(tǒng)運(yùn)行所需的操作程序。

2013年6月，平流層發(fā)射系統(tǒng)公司與軌道科學(xué)公司正式簽訂合同，由軌道科學(xué)公司負(fù)責(zé)平流層空射運(yùn)載火箭系統(tǒng)的系統(tǒng)工程和空射運(yùn)載火箭的研發(fā)、制造、集成和測試等全套工序。

2017年6月，該飛機(jī)建成，進(jìn)入地面和飛行測試階段，先后完成了加油測試、發(fā)動機(jī)測試等工作。

2018年8月，平流層發(fā)射系統(tǒng)公司推出了四型空射火箭方案，包括飛馬座XL火箭、中型運(yùn)載火箭、重型運(yùn)載火箭和航天飛機(jī)。2018年10月，平流層發(fā)射載機(jī)在美國莫哈韋航空航天港完成了一次中速滑行試驗。

2019年4月，平流層空射系統(tǒng)公司完成了載機(jī)的首次飛行試驗，并計劃在后續(xù)任務(wù)驗證載機(jī)發(fā)射飛馬座XL空射火箭的能力。

2 “飛馬座”空射運(yùn)載火箭項目

美國“飛馬座”空射運(yùn)載火箭于1986年提出方案設(shè)想，1990年4月5日進(jìn)行首次飛行試驗，是世界最早投入商業(yè)運(yùn)營的空射運(yùn)載火箭?！帮w馬座”空射運(yùn)載火箭采用“吊掛式”的機(jī)箭組合方式，早期的“飛馬座”吊掛在改裝的B-52轟炸機(jī)機(jī)翼下，后期改為吊掛在L-1011重型運(yùn)輸機(jī)腹部。

“飛馬座”空射運(yùn)載火箭有兩個基本型號：標(biāo)準(zhǔn)型和XL型，均為三級固體運(yùn)載火箭。標(biāo)準(zhǔn)型“飛馬座”起飛質(zhì)量18.886t，全長15.5m，直徑1.27m，翼展6.7m。飛馬座XL型是在標(biāo)準(zhǔn)型的基礎(chǔ)上通過加長一、二級和提高性能發(fā)展而來的，火箭起飛質(zhì)量約為23.13t，全長16.9m。其投放高度約為12km，投放速度Ma為0.8，200km近地軌道運(yùn)載能力約為443kg。

飛馬座XL空射運(yùn)載火箭組成

“飛馬座”運(yùn)載火箭飛行過程圖

至今，“飛馬座”空射火箭系列已經(jīng)完成43次發(fā)射任務(wù)，將80余顆衛(wèi)星送入太空。

3 對發(fā)展空射運(yùn)載火箭的分析

大中型空射運(yùn)載火箭成為可能

悉數(shù)目前在飛以及在研的空射火箭：“飛馬座”空射火箭起飛質(zhì)量18.8t，飛馬座XL空射火箭起飛質(zhì)量23.1t，運(yùn)載器-1（Launcher-1）空射火箭起飛質(zhì)量21t，機(jī)載發(fā)射地軌道衛(wèi)星系統(tǒng)（ALASA）空射火箭不足5t。俄羅斯的飛行號空射火箭規(guī)模較大，為80～100t。這些火箭所用的載機(jī)平臺雖然都經(jīng)歷了不同程度的改進(jìn)和性能提升，但是載機(jī)的空投能力仍然有限?！捌搅鲗影l(fā)射”載機(jī)的橫空出世改變了一切。第一，大幅增加了載機(jī)的掛載投放能力，以伊爾-76運(yùn)輸機(jī)為例，起飛質(zhì)量190t，載荷質(zhì)量50t，載荷質(zhì)量與起飛質(zhì)量之比為0.26；平流層發(fā)射載機(jī)起飛質(zhì)量590t，載荷質(zhì)量227t，載荷質(zhì)量與起飛質(zhì)量之比為0.38，提高了1.5倍。第二，掛載空間不受限，能夠直接掛載3枚飛馬座XL火箭，單發(fā)飛馬座火箭的三角翼翼展為6.7m，也就意味著可掛載空間的橫向距離不小于20m，同時載機(jī)的離地高度為15m，巨大的尺寸空間使大中型空射運(yùn)載火箭的掛載不受限制。

上述數(shù)據(jù)表明，未來的空射火箭質(zhì)量規(guī)?？梢允恰帮w馬座”的10倍，運(yùn)載能力是“飛馬座”的13.5倍，火箭數(shù)量是現(xiàn)有的3倍。這些將使空射火箭的投送能力大幅增加，能夠輕松完成單星發(fā)射以及多星部署任務(wù)，可以真正參與到未來主流發(fā)射市場的競爭中。

雖然平流層發(fā)射系統(tǒng)公司目前暫停了大型空射火箭的研制，但是相信在可以預(yù)見的將來，還會再度刷新空射火箭的世界記錄。

空射運(yùn)載火箭將發(fā)展定制載機(jī)

從20世紀(jì)80年代末，美國開始將空射導(dǎo)彈技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)載火箭領(lǐng)域，使用B-52轟炸機(jī)，L-1011重型運(yùn)輸機(jī)外掛發(fā)射“飛馬座”小型空射火箭，俄羅斯也曾經(jīng)研究過利用安-124CK、伊爾-76TD、安-124或安-225貨運(yùn)飛機(jī)作為發(fā)射平臺發(fā)射火箭。2018年11月，英國維珍軌道公司（Virgin Orbit）也利用改造后的波音747飛機(jī)掛載運(yùn)載器-1空射火箭完成了掛載飛行，并取得了成功。

縱觀世界范圍內(nèi)的空基發(fā)射載機(jī)，包含了戰(zhàn)斗機(jī)、轟炸機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、民航客機(jī)等各式各樣的飛機(jī)，盡管成熟的飛機(jī)使得空中發(fā)射成為可能，但也存在極大的局限性。平流層發(fā)射載機(jī)作為專門為空射火箭研制的載機(jī)，最大空投能力接近227t，空間幾乎不受限制，使空射火箭的設(shè)計更為自由，極大拓寬了空射火箭的應(yīng)用范圍。更為可貴的是，平流層發(fā)射載機(jī)顛覆了空射系統(tǒng)依據(jù)飛機(jī)設(shè)計火箭的思路，轉(zhuǎn)為依據(jù)火箭需求定制平臺，使飛機(jī)平臺從“兼職”走向“專職”，從而為火箭的空中發(fā)射提供更好的發(fā)射條件，雖然此次首飛的飛行高度還沒有足夠高，飛行速度還沒有足夠快，但是它卻是全世界首型為發(fā)射火箭而研制的飛機(jī)。

空射火箭或?qū)⒏淖兲战?jīng)濟(jì)學(xué)

保羅·艾倫曾說：“如果我們能夠改變太空發(fā)射的經(jīng)濟(jì)學(xué)，我們就可以改變太空旅行和探索”。改變太空發(fā)射的經(jīng)濟(jì)學(xué)，核心就是要降低衛(wèi)星發(fā)射成本。讓我們來計算一下空射火箭到底能賺多少錢。

以“飛馬座”火箭為例，其在空中發(fā)射時的運(yùn)載能力為227kg（740km極地軌道），而采用同樣的三子級結(jié)構(gòu)，直接從地面發(fā)射運(yùn)載能力僅為30kg。“飛馬座”火箭通過空中發(fā)射能夠增加197kg載荷質(zhì)量，如果以每千克2萬美元的發(fā)射價格計算，則增加收入394萬美元，折合人民幣2647.68萬元。如果一次發(fā)射3枚，則收入倍增。

對于大中型空射火箭更為可觀，我國的長征二號丙運(yùn)載火箭起飛質(zhì)量為242.5t，近地軌道運(yùn)載能力為4t；平流層發(fā)射系統(tǒng)重型運(yùn)載火箭起飛質(zhì)量約230t，近地軌道運(yùn)載能力6t，較長征二號丙火箭載荷能力增加了2t，以每千克7000美元發(fā)射價格計算，增加收入約9408萬人民幣。

俄羅斯方面也曾對空射成本進(jìn)行了估算，飛行號空射火箭每次發(fā)射費用約2300萬美元，每千克有效載荷的發(fā)射成本為5000～6000美元，低于海上發(fā)射系統(tǒng)的7000～9000美元，更遠(yuǎn)低于地面發(fā)射的25000～30000美元，具有極強(qiáng)的競爭力。

空射火箭創(chuàng)造了全新的太空進(jìn)入方式，使衛(wèi)星發(fā)射航班化，如果未來進(jìn)入太空就像如今坐飛機(jī)一樣普遍，那么它改變的不僅僅是發(fā)射價格，更是改變?nèi)藗儗μ盏恼J(rèn)知。

4 結(jié)束語

歷經(jīng)多年發(fā)展，美國空射運(yùn)載技術(shù)在轟炸機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、民航客機(jī)以及雙體機(jī)等多種平臺上不斷拓展，投放速度從低亞音速到高亞音速，再到超音速上不斷深入，采購廠商也涵蓋了軍方和多家私營企業(yè)。今日，“平流層發(fā)射”載機(jī)的首飛成功再度為大型空射運(yùn)載火箭的未來發(fā)展開疆辟土，使空射火箭在運(yùn)載能力上真正參與到主流商業(yè)發(fā)射市場的競爭中。