前途遠大的空中發射

黃志澄

航天技術是一項綜合性的集成技術，它的發展必然要充分應用航空技術的成果。當，由載機攜帶航天運載器所進行的空中發射，已成為航天技術和航空技術結合的一個熱點。

空中發射的重大意義

1.空中發射是降低航天運輸費用的途徑之一。圖示-各國主要一次性運載火箭的運輸費用

從50年代到80年代中后期，各國發展航天運載器的動力主要來自增強國家威望與軍事實力。此時，運載火箭的研制主要考慮提高性能和技術水平。盡管也受到經費的約束，但基本上不追求經濟效益。自80年代末以來，商業航天的比重逐步增大，航天運輸任務的需求也不斷擴大。為適應這種需求，航天運載器應降低發射費用、提高可靠性、安全性和任務適應性，減小對環境的危害。下表給出了各國主要的傳統一次性運載火箭的運輸費用。由表可見，目前的一次性運載火箭送到地球低軌道的每公斤載荷的費用高達3500～13300美元。只有將航天運輸費用比現在降低一到兩個量級之后，也就是每公斤載荷的費用達到幾百美元的水平，像全球移動通信系統這種面向市場的航天產業才有真正的發展前途，開發月球資源和建設空間太陽能電站等種種設想才能變成現實。從這個意義上看，發展可重復使用、操作簡單和可靠性高的航天運載器，已成為開發空間的當務之急。空中發射具有較高的自主性和機動性，可在世界上任何地方進行發射，而且不必在航天發射場周圍和火箭分離部分落區設立安全區。由于載機可在一般機場起降，從而不需要建立龐大的地面基礎設施，人員數量也可大為縮減，也無需花巨額資金建設道路、電力、賓館、學校和醫院等附屬設施，從而大大降低了發射費用。

2.空中發射提供了一種較便宜的中、小型衛星的運載器，可以投入國際衛星發射市場和滿足軍事上快速機動發射的需求。

由于信息革命的推動，應用衛星發展很快，從而使世界航天發射市場的前景十分看好。從1957年10月到1997年12月，全世界共進行3844次成功的空間發射，入軌航天器總數為4881個。其中1054次（占27.4％）使用小衛星運載火箭，它們送入軌道的小衛星約1440個（占29.5％）。這些數字表明，小衛星運載火箭是空間運輸系統中不可輕視的重要組成部分。據權威的咨詢公司分析， 2005年到2010年，商用衛星發射市場總量為平均每年40～60顆，地球同步軌道衛星的發射占63％的市場份額，地球低軌道衛星的發射占27％的市場份額，地球中軌道衛星的發射占10％的市場份額。若加上政府衛星和為空間站的服務，可把航天發射的總量加大一倍，即平均每年發射80～120次。由于現代小衛星技術和衛星星座技術的發展，在低地球軌道衛星的發射市場份額中，大部分為服務于全球移動通信的小衛星星座。小型遙感衛星及其星座也有部分市場。

世界航天發射市場正面臨激烈的競爭，除了阿里安公司、美國外，中、日、俄、烏等正努力增加世界航天發射市場的份額。據咨詢公司估計，阿里安公司的市場份額將從50％下降到21％，美國"德爾它"的市場份額為17％，日本H－2A的市場份額為16％，海上發射組織、美國"宇宙神"、我國的"長征"的市場份額各占11％，俄羅斯的"質子"號的市場份額占10％，其他新加入者占3％。對于地球低軌道小衛星的發射，由于運載能力較小的火箭發射費用較高，目前主要采用運載能力較大的火箭進行一箭多星發射。但是空中發射有可能降低發射費用和適于發射單個小衛星，前景也十分看好。空中發射只要2～3天發射準備時間，特別適宜于發射衛星星座中的替換星和戰時發射軍用小衛星。空中發射提供了快速、機動發射中、小型軍用通信衛星和遙感衛星的能力，這對未來的高技術局部戰爭將十分重要。

3.發展空中發射火箭技術，可以進行空間作戰飛行器和高超音速飛行器的技術演示驗證，對航天、航空和武器裝備的發展都有很重要的價值。圖1-"飛馬座"運載器結構圖

美國航天司令部在1998年4月公布了《長期規劃》，在這個長期規劃中，首次提出了空間作戰飛行器(SOV)的概念。SOV是一種完全重復使用的航天飛行器，可以飛到中地球軌道和地球同步軌道。它可以帶有效載荷，如衛星和空間機動飛行器（SMV）。SMV是可以完成對敏感地區進行監視、對在軌衛星進行維修和加注燃料等多種任務的較小飛行器。對空間作戰飛行器的要求，關鍵是便宜和快速反應。美國空軍航天司令部認為，正在研制的X－33和X－34對發展SOV具有重要價值。

高超音速飛行器的軍事應用主要包括跨大氣飛機、高超音速飛機和高超音速導彈等。由于它們具備高的生存能力、飛行速度和攻擊能力，將使空中作戰平臺提高到新水平。發展高超音速飛行器面臨巨大的技術挑戰，特別是在推進技術、空氣動力學和材料與結構等方面。地面試驗、計算和飛行試驗在模擬高超音速飛行方面都有各自的局限性，為了發展高超音速飛行器，需要一體化地使用這些手段。為了驗證這些關鍵技術及它們的綜合集成，需要發展演示驗證飛行器，空中發射火箭提供了高超音速技術的試驗平臺。例如，可以利用空中發射的運載器進行高超音速沖壓發動機試驗和高超音速邊界層轉捩試驗等。

4.空中發射火箭技術也為發展空中發射的反衛星武器打下了基礎。

從1978年起，美國首先研制空中發射的小型常規反衛星武器。該武器是一種帶小型自動尋的彈頭的兩級固體導彈，故又稱"反衛星導彈"。該導彈由 F－15戰斗機攜帶到高空發射。在第一、第二級助推器的推動下，彈頭相對速度達到約13公里/秒時，自動跟蹤目標并與其相撞。1984年和1985年, 美國用反衛星導彈進行了5次實彈跟蹤目標與打靶試驗。

國外空中發射小衛星的進展

早在1974年，美國空軍就首次在C－5"銀河"飛機上發射了"民兵"式火箭。后來，美國、俄羅斯、烏克蘭和法國等國家都對此項技術進行了研究，美國軌道科學公司在這方面首先取得了突破。為了降低航天運載器的運輸費用和提高其使用性能，他們在美國國防先進研究計劃局的支持下，研制了"飛馬座"(Pegasus)運載器。1990年4月5日，"飛馬座"運載器成功地進行了第一次試飛，并投入商業運行，先后發射了多顆軍用衛星和軌道科學公司Orbcomm系統的小衛星。該運載器為三級固體火箭，直徑1.3米，長15.2米，總重19000公斤。其基本結構如圖1所示。它開始用B－52亞音速轟炸機發射，后改用L－1011運輸機，運載器也作了改進，定名為"飛馬座"XL，其飛行程序如圖2所示。"飛馬座"XL可向低軌道發射182～454公斤有效載荷，每次發射的費用為1400萬美元。NASA利用"飛馬座"運載器進行高超音速邊界層轉捩的飛行試驗，目前正準備利用"飛馬座"運載器進行使用超音速燃燒沖壓發動機的高超音速驗證機Hyper－X的飛行試驗。除此以外，美國空軍萊特實驗室致力于研究在"飛馬座"運載器上采用吸氣式發動機的研究。具體方案是第一級采用帶有固體燃料氣體發生器的空氣渦輪火箭/碳氫超燃沖壓發動機(SFGG ATR/HCSJ)。研究結果表明：第一級采用吸氣式發動機后，有效載荷可從454公斤提高到858公斤。

最近，俄羅斯的飛行航空公司、化學自動化設備設計局和勃羅公司等共同組建了空中發射宇航公司。根據俄政府1998年12月1日頒布的第1702號令，在國家的支持下，他們正在對能把2.5噸重的衛星送入近地軌道的空中發射系統開展試驗工作，擬從2001年開始商業發射。該系統將使用安124－100型的改型安124－VS飛機作為載機，攜帶衛星的兩級運載火箭及所需的發射設備配置在載機機身內部。火箭的第二級可重新啟動。俄羅斯擁有大量的安124－100飛機，這種最大商載可達1500噸的飛機將成為空射火箭系統的基礎。圖2"飛觀座"XL運載器空中發射程序

執行發射任務時，載機可先飛到大海或陸地上空的任何地點。發射時，載機將在10～11公里的高度上以約700公里/小時的速度飛行，并完成急躍升機動，將運載火箭從運輸發射包裝容器中投出。投放后的火箭使用降落傘進行5～6秒的自由下落，然后開啟其第一級發動機。隨后，火箭進行調整飛向預定軌道。

該空射火箭研制之初曾準備采用液氫/液化天然氣或液氫/RG－1型煤油作燃料。1999年初，空中發射公司召集俄、烏等著名火箭與航空專家對一些難題進行了攻關，并提出了一些改進措施。其一是使用T－6航空煤油作為火箭燃料。這可簡化火箭的地面加注系統和液壓系統，降低載機與加注后的火箭協同行動時發生火災和爆炸的危險性，充分利用航空、航天在使用煤油方面的豐富經驗，尤其是還可利用技術較為成熟的火箭發動機。由此可使研制費用降低到1.2～1.5億美元，大大縮短了研制周期，每次發射的費用也可降至1050萬美元，項目投資的回收期約為2～3年。其二是使用技術成熟的火箭發動機。第一級將采用由庫茲涅佐夫發動機設計局研制、曾用在N－1巨型登月火箭上的NK－33發動機。第二級使用化學自動化設計局為"聯盟"2號運載火箭第三級而研制的RD－0124型四燃燒室發動機。采用這兩種發動機可使運載火箭能將3噸的有效載荷送入極地軌道。其三是在發射前使載機的飛行接近于失重狀態，然后從載機上投下運載火箭。這種方式可在不對載機增加任何要求的條件下，將可投放的火箭重量增加到95～100噸。同時，要在飛行的所有階段都保證載機及乘員的安全，包括在緊急情況下取消發射并返回機場。

空射系統有三種方案，火箭起飛重量分別為80、90和100噸，200公里極地軌道運載能力分別為2.0～2.2噸、2.5～2.7噸和2.8～3.0噸，系統研制費用分別為1.293億、1.303億和1.313億美元，單次發射費用分別為1010萬、1020萬和1030萬美元，但每公斤有效載荷發射費用則隨火箭重量的增加而降低，分別為4400～4700美元、3800～4100美元和3500～3700美元。火箭的可靠性為0.99。

俄羅斯彩虹集團也曾提出一個叫作"纖夫"的空中發射方案。它采用圖－160超音速轟炸機和液體火箭。圖－160轟炸機能在13.5公里的高度、M=1.75時發射32噸重的火箭。因此，"纖夫"的有效載荷比"飛馬座"重，可發射重量在1100公斤以下的地球低軌道衛星。據彩虹集團估計，運送每公斤有效載荷到低地球軌道的費用要低2～3倍。這個方案還采用伊爾－76預警機在空中進行測控，為發射區域、發射時間和發射方位提供了更大的選擇性，可以在15～20分鐘內將衛星送入地球低軌道的任何指定位置。其研制費為1.53億美元。

重復使用航天運載器的驗證飛行器X－34

1994年8月5日，美國總統克林頓簽署了美國新的航天運載政策。這個政策表明，航天運載器的發展要將一次性運載火箭和重復使用的航天運載器結合起來。為了實現這個目的，美國開始研制X－33和X－34。X－33為單級入軌火箭的驗證機（飛行馬赫數將達到13.5）。X－34為一種重復使用的空中發射系統。1993年到1996年，美國國防部和美國航宇局曾向一種單級入軌運載器試驗機--"三角快帆"試驗機（DC－X）項目投資1.25億美元。這種試驗機進行了12次試飛，最高飛到3155米，驗證了垂直起飛、快速回飛和簡化地面保障技術，地面保障人員只有15人，最短再飛準備時間只有26小時。X－34將在DC－X和X－33之間起到搭橋的作用。它將驗證簡化飛行操作的方案，為研制實用型的重復使用運載器掃清前進道路上的重要障礙，并將使美國向實現運載器重復使用的目標邁出重要的一步。。

X－34由軌道科學公司研制。其外形如圖3 所示，典型的著陸如圖4所示。按美國航宇局這項投資8500萬美元的計劃要求，X－34將總共制造3架，并將用其中的兩架進行20多次飛行試驗。希望該試驗機每次飛行的成本能達到50萬美元的水平，而且最終能實現48小時內重新發射。X－34在進行典型的有動力飛行時，由L－1011帶到距起飛基地834公里的空域，然后在10公里的高度上離開載機。約5秒鐘后，發動機點火，試驗機將向上飛行。150秒時，發動機關機，X－34繼續爬升至76公里的最高點。在這樣的高度上，機翼和方向舵已起不到什么作用，所以需要使用噴氣推力器來實現姿態控制。再入過程中，試驗機下機身的溫度將達到1033K，而機翼和尾翼前緣以及鼻錐部分溫度將達到近1373K。試驗機在降向跑道過程中，將使用慣性導航系統和GPS系統進行精確導航修正。試驗機的接地速度為100米/秒，在速度為85米/秒時打開減速傘，可在約2100米的距離內停下來。L－1011隨后也將返回這條跑道，準備下次試飛。圖示-X-34驗證飛行器外形圖

X－34要試驗的關鍵技術包括：自主著陸所需的自動導航、制導和控制系統、復合材料機體結構、可重復使用的復合材料推進劑貯箱、低溫隔熱件、先進防熱系統、火箭工作狀況綜合監測系統和嵌裝式大氣數據系統。另外要驗證的還有不斷重復使用對碳復合材料結構的影響。

X－34試驗機的主要技術性能參數：長度17.68米，翼展8.53米，干重7.71噸，起飛重量21.23噸，有效載荷重量181～454公斤，最大飛行高度高于76公里，最大飛行M數8，著地速度100米/秒，前緣最高溫度1373K，復飛準備時間小于2 天。

X－34研制中最引人注目的是使用捷徑(Fastrac)液體火箭發動機。該發動機采用液氧和煤油作為推進劑，推力為267千牛頓，由美國航宇局馬歇爾航天飛行中心研制。捷徑發動機是自航天飛機主發動機研制以來美國研制的第一種液體火箭發動機，雖推重比性能不很高，但它簡單、可靠、便于制造。

由于降低了渦輪泵的成本，捷徑發動機每臺的初始成本僅為現今同等推力火箭發動機的1/5，這主要是因為它的設計與傳統的火箭發動機不同，采用了商用的成熟技術和制造方法，例如，它的渦輪泵就是由一家在制造汽車和化工廠用的渦輪泵方面很有經驗的公司生產的。該發動機采用氣體發生器循環。發動機控制系統也設計得簡單，價格也便宜，閥門的開啟和關閉由飛行器的計算機來控制。它的推力和混合比是在地面校準時就設定好的。另外，當火箭發動機工作時可產生3311K的高溫，足以熔化任何材料。一般的火箭發動機采用對燃燒室和噴管進行液體燃料循環的再生冷卻, 而捷徑發動機采用了燒蝕冷卻。燃燒室內壁由帶狀的硅基復合材料組成，每次飛行后都要更換被燒蝕的燃燒室和噴管。發動機每飛行3～4次就要更換。1999年6月29日，X－34進行了第一次試飛。

從國外發展空中發射火箭的情況來看，對于并不要求火箭重復使用來說，主要的技術關鍵是，載機和火箭的組合與分離技術，以及分離過程中火箭的穩定和姿態控制技術等。對于要求火箭重復使用的這種空中發射來說，除了上述與組合和分離有關的關鍵技術外，還必須突破火箭的重復使用技術。■圖示-X-34由載機帶到空中發射，完成飛行任務后自主返回著陸。