空中發(fā)射技術(shù)特點的量化分析

劉 琳，呂 艷，林 崧

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

探索浩瀚宇宙，發(fā)展航天事業(yè)，建設航天強國，是我們不懈追求的航天夢。運載火箭是人類進入空間的基礎運輸工具，可以說“運載火箭的能力有多大，航天的舞臺就有多大”。運載火箭作為進入空間的重要途徑之一，當前存在著發(fā)射價格昂貴、準備周期漫長、發(fā)射資源短缺等不足，制約著人類探索宇宙空間、發(fā)展天基文明的步伐。進入后疫情時代，航天發(fā)射的熱度持續(xù)走高。2022年全球發(fā)射載荷數(shù)量超過2 500個，質(zhì)量超過1 000 t。以快速響應、機動靈活為特征的空中發(fā)射運載火箭技術(shù)在快速應急響應發(fā)射，以及未來的商業(yè)航天領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展空間。

1 空射火箭技術(shù)優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

空射運載火箭是利用載機將運載火箭攜帶至離地面一定高度的空中進行發(fā)射的運載火箭，空射運載火箭與地面發(fā)射運載火箭相比，具有“機動、快速、靈活”的特點，是微小型航天器進入空間的重要途徑。

1.1 空射火箭技術(shù)優(yōu)勢

1)地面支持要求低，可實現(xiàn)全球發(fā)射?？丈溥\載火箭理論上不受固定發(fā)射地點的限制，可在載機航程范圍內(nèi)任意點實施發(fā)射。目前，飛馬座XL空射火箭已經(jīng)從美國、歐洲和馬紹爾群島的5個獨立發(fā)射場發(fā)射；運載器一號空射火箭已經(jīng)在美國和英國兩個地點發(fā)射?？丈浠鸺脑O計目標都是實現(xiàn)任意點發(fā)射的移動發(fā)射系統(tǒng)。圖1為運載器一號空射火箭在執(zhí)行發(fā)射任務。

圖1 運載器一號空射火箭在英國執(zhí)行發(fā)射任務Fig.1 Mission of Launcher One rocket in the UK

2)提供最快的響應能力，一旦接到發(fā)射命令時可快速發(fā)射。飛馬座XL火箭最近的一次發(fā)射證明了這一點，在合同授予后不到4個月的時間完成了運載火箭的設計、集成和測試。啟動發(fā)射程序后，僅用10 min左右的時間就將衛(wèi)星送入預定軌道。

3)更小的起飛質(zhì)量和更大的運載能力?？罩邪l(fā)射可以充分利用載機的飛行高度和飛行速度，同時，在高空工作的固體發(fā)動機可獲得更高的性能，在相同的起飛質(zhì)量條件下，比從地面發(fā)射具有更大的運載能力。

4)滿足單星軌道部署任務需求，星座部署優(yōu)勢顯著。各國都將空間快速響應能力作為重點發(fā)展領(lǐng)域，為了發(fā)展能夠保護和增強控制空間的能力，美國FALCON計劃將“飛馬座”(Pegasus)和“快速抵達”(Quick Reach)空射火箭作為探索方向之一，利用空中發(fā)射技術(shù)減少衛(wèi)星發(fā)射對地面設施的依賴，提升發(fā)射靈活度。飛馬座火箭從接到任務到完成發(fā)射，準備時間小于14 d，火箭總裝后7 d內(nèi)完成發(fā)射，表現(xiàn)出優(yōu)異的快速響應能力。特別是對于規(guī)模星座發(fā)射任務，空中發(fā)射技術(shù)優(yōu)勢更為明顯。

1.2 空射火箭面臨的挑戰(zhàn)

1)采用液體推進劑的運載器一號火箭，氧化劑在地面加注完成后需要歷時數(shù)十分鐘到預定空域投放，需要考慮氧化劑揮發(fā)量對飛行任務的影響，長時間飛行還涉及空中燃料補加等需求。

2)面對越來越激烈的成本競爭，屬于小型火箭的空射運載火箭降低成本的難度較其他火箭更高，運載器一號火箭最近一次發(fā)射就是受低成本元器件質(zhì)量影響導致發(fā)射失敗。

3)重復使用是大幅降低火箭發(fā)射成本的重要途徑。隨著可重復使用技術(shù)不斷成熟，復用技術(shù)幾乎成為在研火箭的標配方案。但是空射火箭規(guī)模較小，使用復用技術(shù)會導致運載能力的大幅降低。參考最新公布的超重-星艦的總體參數(shù)，其重復使用與一次性使用的運載能力比為1∶1.67，如果換用小型火箭，比例還將進一步降低。對于運載能力本就不大的空射火箭而言，可重復技術(shù)如何使用是個具有挑戰(zhàn)性的問題。

2 國外空射火箭進展

2.1 飛馬座空射火箭

20世紀70年代，為了提高應急發(fā)射和機動生存能力，美國啟動了“空中機動發(fā)射可行性驗證”計劃，并于20世紀80年代末將該項技術(shù)應用于運載火箭領(lǐng)域。

1990年4月5日，飛馬座空射火箭采用B-52轟炸機發(fā)射升空，開創(chuàng)了商業(yè)太空飛行的新時代。飛馬座火箭起初由軌道科學公司和赫爾克里斯航空航天公司合資研制，早期采用B-52轟炸機機翼下吊掛方式，1992年后采用L-1011運輸機機腹掛載方式。2018年，美國諾·格公司將軌道科學公司收購為其子公司，并進一步以商業(yè)方式開展研制、運作并執(zhí)行后續(xù)發(fā)射任務。

自首飛后的30多年里，該火箭系列共執(zhí)行了45次飛行任務，先后在位于美國本土的加利福尼亞州、弗吉尼亞州、佛羅里達州，以及位于美國本土外的加那利群島和馬紹爾群島的夸賈林環(huán)礁的5個不同發(fā)射場實施發(fā)射任務，共計發(fā)射了近百顆衛(wèi)星。

火箭使用固體推進劑，具備在10 min左右的時間內(nèi)將450 kg的小型衛(wèi)星載荷送入近地球軌道的能力，其快速響應能力和發(fā)射靈活性一度備受客戶青睞，在很長一段時間內(nèi)，成為世界上價格合理、機動靈活、性能可靠的小型火箭“標準型”，也是空射運載火箭的偉大開拓者。

最近一次發(fā)射完成于2021年6月13日，L-1011三星飛機搭載飛馬座XL火箭從美國加州范登堡空軍基地起飛，于美國東部時間4時11分(北京時間16時11分)由載機投放，成功完成美國太空軍“戰(zhàn)術(shù)快速反應發(fā)射”(TacRL)計劃下的一項任務代號為TacRL-2的驗證性入軌發(fā)射任務，將一顆太空態(tài)勢感知衛(wèi)星送入預定軌道，如圖2所示。該項計劃的目的是掌握按需靈活發(fā)射的所需技能，在此次任務中，飛馬座XL火箭自合同授予后不到4個月內(nèi)完成了全部的設計、集成和測試。

圖2 飛馬座XL火箭完成TacRL-2發(fā)射任務Fig.2 Pegasus XL rocket completes TacRL-2 mission

2.2 運載器一號空射火箭

進入21世紀以后，隨著小衛(wèi)星技術(shù)的不斷成熟，拓展了人們對于太空的認知，也加快了人類探索太空的步伐。越來越多的商業(yè)航天公司關(guān)注到小型衛(wèi)星發(fā)射市場。2011年，理查德·布蘭森創(chuàng)立了維珍軌道分支機構(gòu)，2017年成為獨立公司。其旨在創(chuàng)造一個可以在“任何時間、任何地點、任何軌道上發(fā)射”的移動發(fā)射系統(tǒng)，支持全球范圍內(nèi)不同國家的發(fā)射需求以及定制任務，重新定義在太空中靈活響應的含義。

2021年1月17日，美國維珍軌道公司采用運載器一號火箭，搭載波音747-400改進型飛機發(fā)射升空，成功將美國國家航空航天局“發(fā)射服務項目”的10顆有效載荷送入太空，開拓了更為快速、靈活、可靠地為小衛(wèi)星提供定制專屬服務的新時代。

運載器一號空射火箭使用液體推進劑，具備將500 kg載荷送入中低傾角近地軌道和將300 kg載荷送入太陽同步軌道的運載能力。運載器一號空射火箭共執(zhí)行6次入軌級發(fā)射任務，如圖3所示。完成情況為2次失敗、4次成功，已經(jīng)將包括美國軍事衛(wèi)星在內(nèi)的33顆衛(wèi)星送入軌道，如表1所示。

圖3 運載器一號火箭進行發(fā)射準備Fig.3 Launch preparation for Launcher One rocket

表1 運載器一號火箭發(fā)射記錄

3 空射技術(shù)特點的量化分析

3.1 相同運載能力，火箭規(guī)模更小

空中發(fā)射可以利用飛機提供一定的初始速度和初始高度，在相同的運載能力下，火箭的起飛質(zhì)量更小。本文以飛馬座火箭、運載器一號空射火箭為例開展分析。

3.1.1 飛馬座XL火箭地面助推級計算

飛馬座XL空射運載火箭起飛質(zhì)量約為23 130 kg， 全長16.9 m，一子級外徑為1.27 m，采用L-1011運輸機為投放平臺，投放高度為11 887 m，投放速度為242 m/s，典型軌道741 km太陽同步軌道運載能力為221 kg[1]。

如果直接從地面發(fā)射，要實現(xiàn)相同的運載能力，則需要增加地面助推級[2]，即采用成熟發(fā)動機從地面實施發(fā)射，將飛馬座XL空射火箭推送至運輸機L-1011飛機的投放高度與速度[2]，投放條件如表2所示。其中地面助推級發(fā)動機性能參考美國金牛座火箭一子級發(fā)動機性能[3]。

表2 飛馬座XL地面助推級設計條件

經(jīng)計算，飛馬座XL空射火箭增加地面助推級以后的整體火箭起飛質(zhì)量約為32.8 t，全箭長度約為22 m，結(jié)果如表3所示。采用從地面發(fā)射的方式，并且利用在已有空基火箭基礎上，直接增加地面助推級的技術(shù)方案完成火箭規(guī)模計算，此火箭的起飛質(zhì)量規(guī)模較空基發(fā)射狀態(tài)增加約41%。

表3 飛馬座XL地面助推級設計結(jié)果

3.1.2 運載器一號火箭助推級計算

運載器一號空射火箭起飛質(zhì)量為25 900 kg，全長為21.34 m，一子級外徑為1.8 m，采用波音747改裝的“宇宙女孩”作為投放平臺，投放高度為10 667 m，投放速度為199.2 m/s，投放傾角27°[4]，如表4所示。

表4 運載器一號地面助推級設計條件

如果直接從地面發(fā)射，要實現(xiàn)相同的運載能力，需要增加地面助推級，采用成熟火箭動力，將運載器一號火箭推送至起始高度、速度與傾角狀態(tài)，設計結(jié)果如表5所示。

表5 運載器一號地面助推級設計結(jié)果

經(jīng)計算，運載器一號空射火箭增加地面助推級以后的整體火箭起飛質(zhì)量約為35.9 t，全箭長度約為24 m，采用從地面發(fā)射的方式，并且利用在已有空基火箭基礎上，直接增加地面助推級的技術(shù)方案完成火箭規(guī)模計算，此陸基狀態(tài)起飛質(zhì)量規(guī)模較空基發(fā)射狀態(tài)增加約38%。

3.2 同等火箭規(guī)模，運載能力更高

根據(jù)文獻[5]，起飛質(zhì)量為57 t、直徑為2 m的四級固體運載火箭，采用海上發(fā)射的方式可將有效載荷發(fā)射到各種高度和各種傾角的近地球軌道，典型任務為軌道高度200～1 000 km的圓軌道。其標準發(fā)射能力為：500 km近地球軌道為620 kg，500 km太陽同步軌道(SSO)為430 kg。

如果采用空基發(fā)射方式，發(fā)射條件如表6所示，通過飛機等將同等起飛規(guī)模的運載火箭攜帶至高空，在設定的初始高度和速度條件下實施發(fā)射，將進一步提升運載能力。

表6 空中發(fā)射初始條件

經(jīng)計算，對于同等起飛規(guī)模的運載火箭如果采用空中發(fā)射方式(發(fā)射緯度40°)，其標準發(fā)射能力提升為：500 km近地球軌道(傾角0°)為880 kg，增加41.9%；500 km 太陽同步軌道(傾角97°)為550 kg，增加27.9%，如圖4所示。

圖4 不同發(fā)射方式運載能力對比圖Fig.4 Comparison of carrying capacity of different launch methods

3.3 分布式空間系統(tǒng)部署更加便捷靈活

利用空中發(fā)射技術(shù)，不僅可以實現(xiàn)單星軌道部署優(yōu)化，還可以應用于分布式空間系統(tǒng)部署。分布式空間系統(tǒng)包括星座、星群以及編隊飛行等。典型的星座包括Walker在1970年提出的全球覆蓋星座(Walker星座)，其利用幾何學原理將各軌道平面平均分布且軌道平面內(nèi)的衛(wèi)星均勻分布。

本文以飛馬座空射火箭為算例，開展典型Walker星座的部署問題研究。

1)星座算例：Walker星座具有良好的全球覆蓋特性，在通信、導航等全球星座系統(tǒng)中得到了廣泛應用。Walker星座空間構(gòu)型由衛(wèi)星總數(shù)T、軌道面?zhèn)€數(shù)P以及相位參數(shù)F3個特征參數(shù)表示。本文以30顆星的Walker-Delta(30/10/1)星座作為算例，每個軌道面3顆衛(wèi)星，共有10個軌道面(軌道的升交點赤經(jīng)在360°間均勻分布)，星座構(gòu)型參數(shù)如表7所示。

2)優(yōu)化算法：采用一箭一星空中發(fā)射方式，首先解算完成單條衛(wèi)星發(fā)射彈道，再采用多層編碼方法逐一時間段進行整體發(fā)射任務規(guī)劃。其中編碼的不同層次代表發(fā)射點序列及其發(fā)射任務序列，通過基于擁擠度的解碼方法，獲取每架飛機的發(fā)射任務需求以及每次發(fā)射任務的發(fā)射窗口分配方案。

3)計算結(jié)果：假設選擇在國內(nèi)內(nèi)陸機場起飛，

表7 近地軌道星座構(gòu)型

飛機飛行速度為800 km/h，同一架飛機相鄰兩次執(zhí)飛間隔不小于6 h，每架飛機部署的衛(wèi)星數(shù)量為1～3顆，如圖5所示。經(jīng)計算，總計14架飛機完成30顆衛(wèi)星星座的發(fā)射部署用時為18 h，各軌道面部署完成時間如表8和圖6所示。

圖5 每架飛機所部署衛(wèi)星數(shù)量統(tǒng)計Fig.5 Statistics on the number of satellites deployed per aircraft

表8 內(nèi)陸發(fā)射不同軌道面星座所需時間

圖6 國內(nèi)機場部署各軌道面所需時間Fig.6 Time required for domestic airports to deploy various track surfaces

4)對比分析：采用一箭多星的部署方式，假設每枚火箭可發(fā)射6～8顆衛(wèi)星，則需要4枚火箭。經(jīng)計算，約15顆衛(wèi)星入軌后需要調(diào)整相位滿足部署需求，約15顆衛(wèi)星入軌后需要改變軌道面滿足部署需求。其中，軌道面調(diào)整采取利用J2攝動的間接法。

經(jīng)計算可知，采用一箭多星發(fā)射方式，通過衛(wèi)星自身調(diào)整以滿足變軌需求，星座部署完成時間將會大幅增加。整體空間系統(tǒng)完整部署時間由18 h增加至108 d，如圖7所示，難以滿足快速響應等需求。

圖7 一箭多星發(fā)射部署完整時間Fig.7 Complete deployment time for launching multiple satellites with one carrier rocket

相比之下，應用空中發(fā)射技術(shù)的單星發(fā)射方式具有更加便捷靈活的特性。

3.4 小結(jié)

本文采用仿真的方法對空中發(fā)射技術(shù)的特點進行量化分析。綜合上述計算結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

1)假定利用在已有空基火箭基礎上，直接增加地面助推級(助推級工作結(jié)束彈道傾角為零)的技術(shù)方案完成對應陸基發(fā)射火箭規(guī)模計算的方式，則要獲得相同的運載能力，空基火箭總質(zhì)量規(guī)模僅占陸基火箭規(guī)模的38%～41%，空基發(fā)射火箭規(guī)模更小。

2)相同火箭起飛質(zhì)量，采用空中發(fā)射方式，近地軌道能力增幅為41%，太陽同步軌道能力增幅為27%，空基發(fā)射獲得的運載能力更高。

3)以部署30顆星的規(guī)模星座作為算例：采用一箭一星空中發(fā)射方式完成規(guī)模星座部署約18 h，采用一箭多星發(fā)射方式，同時利用衛(wèi)星軌道攝動的方式調(diào)整軌道面，則規(guī)模星座部署約108 d?？罩邪l(fā)射單星的模式更適合快速響應的應急發(fā)射任務。

4 結(jié)束語

近年來，不斷有學者在空射火箭的氣動外形、彈道設計、姿態(tài)控制、空投分離方案以及測試發(fā)射技術(shù)等方面開展研究和試驗工作，并取得令人欣喜的成績，但在空中發(fā)射技術(shù)的工程實踐上還存在一定差距。

隨著近年來低軌衛(wèi)星組網(wǎng)的井噴式增長，利用空中發(fā)射技術(shù)滿足分布式空間系統(tǒng)構(gòu)建的快速性、靈活性的任務需求具有更為深遠的意義。