空射火箭：有待實踐檢驗的理念

文/ 王佳

所謂空射運載火箭，就是把火箭裝在飛機上，到一定高度后脫離載機，自己點火飛行。專業(yè)上對這種發(fā)射方式的稱呼是水平起飛航天發(fā)射，這與常見的從塔架上起飛的運載火箭形成了對比，后者被稱作垂直起飛航天發(fā)射。

▲ “運載器一號”要從飛機上下落一段距離才點火

空射火箭簡史

用飛機發(fā)射火箭推進的物體并不是新生事物。在過去幾十年的時間里，空軍用攻擊機發(fā)射火箭彈攻擊地面目標(biāo)是常見的戰(zhàn)術(shù)。但是要把一個東西發(fā)射到地球軌道上，達到每秒7800 米的第一宇宙速度，就完全是另外一回事了。世界上第一種射入太空的空射火箭并不是用來發(fā)射衛(wèi)星的，而是打衛(wèi)星。1984 年，一架美國空軍的 F15 戰(zhàn)斗機攜帶ASAT 反衛(wèi)星導(dǎo)彈從地面升空，把這枚導(dǎo)彈射進太空，擊毀了一顆作為目標(biāo)的衛(wèi)星。到上世紀(jì)90 年代，美國軌道科學(xué)公司開發(fā)出了世界上第一種投入業(yè)務(wù)使用的空射運載火箭“飛馬座”。這種火箭如今還在使用，但企業(yè)已經(jīng)被諾斯羅普-格魯曼公司收購。俄羅斯也曾經(jīng)展出一種空射運載火箭，它的第一級甚至能夠在發(fā)射結(jié)束后自己返回地面，但是這種型號并沒有投入研制。

▲ “運載器一號”升空

在衛(wèi)星尚沒有充分小型化的時代，小型空射火箭能夠攬到的業(yè)務(wù)也很少，所以“飛馬座”到目前為止，一共只發(fā)射了40 多次小衛(wèi)星。微小衛(wèi)星的技術(shù)迅速發(fā)展，引發(fā)了對小火箭的研發(fā)熱潮，但是這股熱潮起初并沒有延伸到空射火箭上。其中的原因也很容易想見，只有具備了足夠的航空基礎(chǔ)，特別是大載重的飛機，有大型、空閑的機場，廣闊的空域才能開展空射火箭的飛行，這一點目前僅美國和俄羅斯可以做到。不過小衛(wèi)星發(fā)射需求的日益旺盛，讓不少美國航天創(chuàng)業(yè)者心動不已，推出了一些方案，在這當(dāng)中也有兩個水平起飛空射火箭方案。兩個方案采用了完全不同的技術(shù)路徑，平流層發(fā)射公司采用了全新研制雙體飛機、火箭吊在中間的設(shè)計。維珍軌道公司采用了購買現(xiàn)成單體大型飛機，火箭吊在一側(cè)機翼下的方式。

▲ 飛馬座火箭發(fā)射

到目前為止，這兩家公司的發(fā)展一進一退。平流層公司因為創(chuàng)始人離世而陷入危機，被迫轉(zhuǎn)型。維珍軌道公司在2020 年發(fā)射失敗，2021 年年初才剛剛?cè)〉玫谝淮纬晒ΑＫ钥丈浠鸺降啄懿荒苓m應(yīng)小衛(wèi)星大發(fā)展的市場，還是一個有待實踐檢驗的理念。

▲ 掛在“宇宙少女號”機翼下的“運載器一號”

▲ 掛在機翼下的飛馬座空射火箭

▲ 檢測中的飛馬座空射火箭

空射火箭的局限性與優(yōu)點

“飛馬座”和“發(fā)射器一號”有個相同的問題，那就是火箭尺寸受限。這兩種火箭都是掛裝在飛機翅膀下面的。大家知道民航飛機一般采用下單翼，也就是機翼連接在機身下方、穿過行李艙，這樣可以把較為舒適的機身上半部分留給乘客。而吊在機翼下的發(fā)動機也距離乘客比較遠，噪音比較小。但是這也帶來了機翼離地比較近的問題，只能掛裝小直徑的火箭。

那么可以用軍用運輸機嗎？軍用運輸機一般采用上單翼，不分乘客艙和行李艙，機身里面是一個完整的筒狀空間。機翼連接在機身上部，這樣可以把發(fā)動機吊得盡量高一些，在野戰(zhàn)機場起降時不容易吸進沙石。聽起來這很適合掛裝火箭，而且美國俄羅斯都有不少退役的大型運輸機可以拿來用。然而軍用飛機和民用飛機在航空管理上有很大的區(qū)別，軍用運輸機的噪聲、無線電設(shè)備、對維修維護的要求、操作方式，都和民航飛機區(qū)別很大。而且因為設(shè)計理念不同，軍用運輸機的使用成本要比民航飛機高得多，并不適合商業(yè)公司拿來發(fā)射火箭。

在這種困難之下，開發(fā)一種專門的火箭發(fā)射飛機似乎是很合理的。這就是平流層發(fā)射公司的初心。然而因為公司創(chuàng)始人、億萬富翁保羅·埃倫因病去世，平流層發(fā)射公司失去了最主要的支持，一度陷入了破產(chǎn)的邊緣。經(jīng)過債務(wù)重組，如今的平流層發(fā)射公司已經(jīng)不再把航天發(fā)射作為主要業(yè)務(wù)方向。在這家公司發(fā)布的官方消息中，巨大的六引擎平流層發(fā)射飛機已經(jīng)被介紹成了高超音速試驗平臺。這與美國近期高度重視高超音速技術(shù)發(fā)展，特別是高度重視高超音速導(dǎo)彈研制有直接關(guān)系。

空射火箭的優(yōu)點并不僅僅是高度和速度。大氣的密度是從下向上遞減的，從地面起飛的火箭在最初的幾千米高度內(nèi)，要把很大一部分燃料消耗在克服稠密大氣上?；鸺龂姎獾男室矔艿酱髿鈮毫Φ挠绊?，高壓時膨脹過度低壓時膨脹不足，帶來了推力損失。飛機的噴氣發(fā)動機可以通過調(diào)節(jié)噴管尾部形狀來適應(yīng)這種氣壓變化，火箭發(fā)動機上卻沒有空間容納復(fù)雜的調(diào)節(jié)機構(gòu)，但是空射火箭可以不考慮低空高氣壓的影響，直接針對高空低氣壓做優(yōu)化設(shè)計就可以了。

▲ 平流層發(fā)射如今已經(jīng)定位在高超音速試驗平臺

▲ 平流層飛機曾被設(shè)計為同時掛載三枚飛馬座火箭

在從地面起飛到火箭點火高度的這段時間里，載機和空射火箭作為一個整體，推進比也更高一些。航空發(fā)動機是不需要攜帶氧化劑的，所以能夠?qū)崿F(xiàn)的比沖比火箭發(fā)動機高得多。一般來說，民航機的渦輪風(fēng)扇發(fā)動機，比沖高達3000 秒，而馬斯克的灰背隼發(fā)動機海平面比沖只有300～400 秒。而且因為火箭是在大氣層內(nèi)與載機分離的，火箭的第一級同樣可以采用吸氣式發(fā)動機，例如比較成熟的沖壓發(fā)動機，甚至是研制中的超燃沖壓發(fā)動機，進一步提高比沖。

空射火箭的缺點

說了這么多的優(yōu)點，空射運載火箭也有無法克服的缺點。我們用鋼鐵俠馬斯克本人的話來闡述好了。

馬斯克雖然一度和平流層發(fā)射公司有合作的意向，但是在獵鷹9 號火箭進入成熟期之后，他對空中發(fā)射表達了否定的意思。他在一次訪談節(jié)目中表示：“看起來空中發(fā)射把火箭帶到了高空，達到了0.7～0.8 倍音速，還可以在噴管上實現(xiàn)更理想的膨脹比，但是這能在多大程度上改善入軌能力呢？答案是不夠令人滿意的，改進的幅度非常小，大概是5%，而且需要一架大型飛機才能做到這一點。從我的角度來看，是制造一架巨型飛機更劃算，還是把火箭本身放大5%更劃算？當(dāng)然是第二個！”

▲ 維珍軌道公司的火箭工廠

▲ 早期的飛馬座火箭，由B-52 轟炸機空中發(fā)射

馬斯克還指出了空射運載火箭的另一個問題：火箭從飛機上脫離的時候是水平發(fā)射出去的，但入軌需要向上飛行，必須設(shè)法改變速度矢量的方向，所以飛馬座火箭裝了一對巨大的三角翼，這不僅占用了結(jié)構(gòu)重量，在轉(zhuǎn)向時也會帶來不可忽視的能量損失。對于錙銖必較的航天發(fā)射來說，這些損失也不算少。如果載機能在垂直爬升的過程中把火箭甩出去，是最理想的。然而大型飛機是很難做到垂直爬升的，無論波音747還是平流層發(fā)射平臺都做不出這么激烈的動作來?！?/p>

相關(guān)鏈接

那些停留在圖紙上的空射火箭

蘇聯(lián)/俄羅斯其實也有很好的空射火箭研發(fā)基礎(chǔ)，但直到上世紀(jì)80 年代才開始研發(fā)這種技術(shù)。1988年，蘇聯(lián)提出了MAKS 計劃，意思是多用途航空航天系統(tǒng)。這可不是什么小火箭，而是一種起飛重量275噸的大家伙，運載能力達到7噸。用來發(fā)射它的平臺是平流層發(fā)射出現(xiàn)之前世界上最大的飛機安-225。MAKS的上面級是可以重復(fù)使用的，能夠天地往返10 次。這個宏大的構(gòu)想沒能實現(xiàn)，1991 年蘇聯(lián)剛一解體就下馬了，2010 年俄羅斯曾經(jīng)考慮復(fù)活MAKS，但是并沒有下文。

其實還有幾個沒能搞下去的空射火箭項目，其中包括用平流層平臺發(fā)射的“飛馬座”，“獵鷹9 號”空射版，XCOR 宇航公司的“猞猁3”等型號。另外美國宇航局和歐空局也各有一個非營利的空射火箭項目。

拖曳式滑翔機空中發(fā)射系統(tǒng)

拖曳式滑翔機空中發(fā)射系統(tǒng)（TGALS）是美國宇航局設(shè)計的兩級空氣發(fā)射可重復(fù)使用發(fā)射系統(tǒng)，由阿姆斯特朗飛行研究中心開發(fā)。該系統(tǒng)使用滑翔機、牽引機和火箭，設(shè)計用于將小型衛(wèi)星送入軌道，滑翔機和牽引機都可重復(fù)使用。

該系統(tǒng)的獨特之處在于，它是從滑翔機上發(fā)射的。

該系統(tǒng)由三個大部件組成：牽引飛機、滑翔機和火箭。牽引飛機是一種傳統(tǒng)的小型飛機，它將滑翔機帶到大約12000 米的高度?；铏C攜帶了混合動力或固體火箭發(fā)動機，點燃發(fā)動機后滑翔到比牽引飛機更高的位置。在火箭燒盡后，滑翔機將釋放系統(tǒng)的第三級（完全由火箭驅(qū)動），把有效載荷送入近地軌道。

美國宇航局的構(gòu)想旨在創(chuàng)造一個平臺，可以發(fā)射質(zhì)量是滑翔機15 倍的火箭，而其他空中發(fā)射可重復(fù)使用火箭只能發(fā)射0.7 倍于載機的火箭。這種系統(tǒng)的優(yōu)點是滑翔機不帶發(fā)動機，機翼更長、更輕，因此總質(zhì)量更低，美國宇航局曾在一份報告中討論了這種系統(tǒng)的優(yōu)點：

TGALS 發(fā)射平臺的概念證明，與傳統(tǒng)空中發(fā)射平臺相比，其在成本、物流效率和性能方面具有明顯的優(yōu)勢。

滑翔機采用雙體飛機，火箭懸掛在滑翔機機翼中心部分下方。從牽引機上釋放后，滑翔機自己的小型火箭發(fā)動機將燃燒約20 秒，以保持爬升時的速度，以70 度角滑行然后釋放火箭。

2014 年10 月21 日，雙機身滑翔機1/3 比例模型的首次試飛取得成功。

按照2015 年時的計劃，后續(xù)要從三分之一比例的滑翔機上釋放一枚小型無動力火箭，然后在滑翔機上安裝一枚小型火箭發(fā)動機，以測試火箭助推滑翔機設(shè)計的可行性。然后建造一個全尺寸平臺，但該計劃并無下文。

畢宿五火箭項目

“畢宿五”是由西班牙國家工業(yè)技術(shù)開發(fā)署、法國宇航局和德國航空航天中心聯(lián)合提出的空射微型衛(wèi)星運載火箭試驗臺，用于將300 千克載荷送入近地軌道。

該項目始于2007 年，旨在為歐洲研制一種微型運載火箭，填補阿里安5、聯(lián)盟號和織女星火箭的空白，用來發(fā)射微小衛(wèi)星。有關(guān)企業(yè)提出了幾個備選方案：

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由阿斯特里姆公司和達索航空公司聯(lián)合開發(fā)，用戰(zhàn)斗機來發(fā)射一種多級運載火箭，能夠根據(jù)配置將50～70 千克或150 千克的重量送入近地軌道。法國軍方也表示，他們對一種類似于美國ORS 火箭的概念感興趣。

和民航飛機相比，戰(zhàn)斗機速度快、機動性好、姿態(tài)靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)最佳的高度、速度和飛行軌跡，火箭可以不裝氣動控制面。戰(zhàn)斗機還可以做空中加油，對機場要求比較低，如果發(fā)射中止，還能自行返回機場。

但是因為戰(zhàn)斗機體積比較小，機翼到地面的距離也不大，因此所能發(fā)射的運載火箭的質(zhì)量和體積能力受到很大限制。

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阿斯特里姆提出的型號，長6.5 米，直徑0.9 米，重4 噸。第一級將由一個3 噸重的固體火箭發(fā)動機和矢量噴管組成。上一級為一臺液體燃料發(fā)動機，可以攜帶600 千克燃料，可以用達索陣風(fēng)或者歐洲臺風(fēng)戰(zhàn)斗機發(fā)射。

MLA 三體船

達索航空提出的捆綁式三級火箭，一級火箭帶有兩個捆綁式的助推器。這種火箭要掛在陣風(fēng)戰(zhàn)斗機的下方升空。它的重量已經(jīng)接近了陣風(fēng)的最大外掛能力，所以發(fā)射能力比較強，可以把150 千克載荷送入低軌道。

典型的任務(wù)剖面是這樣的：戰(zhàn)斗機以馬赫數(shù)0.7 的速度將火箭帶到12 千米高空，并以最佳角度釋放。分離4 秒后，助推器點火工作42 秒，火箭達到36 千米高度、馬赫數(shù)6.5。助推器分離后，第二級在78.5 千米高空、4.5 千米/秒速度時點火。整流罩分離后，第三級在250 千米高度，火箭將以7.9 千米/秒的速度繼續(xù)飛行359 秒，進入800 千米高的圓軌道。

上述方案都停留在紙面上，沒有投入工程研制。