運載火箭空中發射深度剖析

吳柱　余華敏

據俄羅斯衛星網近日報道，中國正在研制一種新型火箭，這種新型運載火箭采用固體燃料能將100千克載重送入近地軌道的火箭，還可以通過中國運20大型戰略運輸機進行發射。

人們早已習慣看到運載火箭從發射臺上拔地而起的鏡頭，從飛機上發射火箭多少有點讓人驚訝。實際上，近年來，作為新興航空航天技術之一，空中發射運載火箭越來越受到各國高度重視。運載火箭空中發射究竟需要哪些技術？有什么優缺點？目前運用情況怎樣？本文我們來—探究竟——

基本原理及分類

運載火箭空中發射技術源于美、蘇在20世紀70年代爭霸背景下提出的反衛星導彈、戰略導彈空基發射設想。這一發射方式主要采取內置式重裝空投、內置式重力空射、吊掛式懸吊一系索空投三類方式進行發射。

內置式重裝空投

在準備投放階段，運載火箭平臥在飛機貨臺上的支架內。一旦接收到投放指令，飛行器將解鎖貨臺與貨艙緊固連接裝置。保險在牽引傘釋放裝置的作用下打開，投出牽引傘。貨臺在巨大牽引力作用下被拖著沿導軌從尾艙門加速滑出，隨之張開三具減速主傘；當下降到一定高度時，運載火箭的姿態將被調整到接近垂直位置，爆炸螺栓將環抱運載火箭的連接裝置立即切斷，運載火箭分離，一級發動機隨即點火，在推力作用下運載火箭開始爬升。

內置式重力空射

接到準備發射指令時，飛機就會完成裝載工作，處于待發射狀態。一旦飛機接到發射指令，就會打開尾艙門，并調整斜面艙門使其保持在水平狀態。緊接著機頭上仰一定角度飛行，釋放連接到一級發動機噴管外壁的小型穩定傘，并解鎖緊固運載火箭的連接裝置，運載火箭在重力的作用下將會沿著發射托架的傳送輪胎快速滑動，幾秒鐘后運載火箭從飛行器艙門中滑出。運載火箭的尾部先落下，在重力作用下運載火箭會繞重心做俯仰運動，尾部向前頭部向后，穩定傘會產生適當的阻力，以控制運載火箭所做的俯仰運動，使其以較低俯仰角速率運動。當運載火箭處于接近垂直位置時，穩定傘的傘繩將被切斷，一級發動機點火，在推力矢量控制系統的作用下運載火箭保持穩定狀態，并按預定運載火箭軌跡飛行。

吊掛式懸吊-系索空投

運載火箭外掛在飛行器的機腹下，運載火箭的重心處有一個掛載連接點，其頭部也有一個系索連接點。發射前，空中載機攜帶運載火箭爬升到一定高度，保持水平巡航飛行，連接到一級發動機噴管外壁的小型穩定傘會先展開，緊接著解鎖斷開連接運載火箭重心處的掛載裝置，運載火箭尾部先于頭部落下，連接頭部的系索經過一個短暫的延時后再斷開，運載火箭在重力的作用下會產生俯仰力矩，接下來的過程與重力空射技術的這個階段完全一樣。

綜合比較三種發射技術各有秋千。內置式重裝空投技術要實現運載火箭的牽引出艙和減速降落，需要使用技術難度高且復雜的降落傘系統，貨臺/支架同時掉落將會給地面帶來安全隱患；此外，內置式重裝空投技術損失了運載火箭的初始高度和速度，在一定程度上抵消了空基發射技術的優點。而重力空射技術可以有效地避免以上缺點，是一種最簡單、安全、可靠和高效的空基發射技術。懸吊-系索空投技術則利用延時和重力作用，使投放的運載火箭在飛行器后方實現了穿越，具有簡單、安全、可靠、高效和經濟等優勢。運載火箭空中發射技術優勢

運載火箭空中發射技術具有三大優點：

經濟實惠

飛機可以重復使用和隨時起飛，大大增強了航天發射的時效性，而火箭都是一次性使用的。現代航天發射成本高昂最重要的原因就是一次性使用的火箭發動機太貴，空中發射能夠讓火箭省去一級火箭，大大降低發射成本。航天發射的運載火箭成本，99%都是火箭箭體成本，其中火箭發動機成本占絕大多數，而燃料成本不到1%。一個航天系統里燃料其實是幾乎最便宜的部分，貴的都是硬件，其中發動機就是“大頭”。可多次使用的發射系統也是為了只燒燃料不扔硬件。采用火箭空中發射技術，火箭每次發射的費用僅僅是從地面發射大小相同的常規火箭的一半。如果按每千克有效載荷的價格計算，用飛機發射衛星的價格只相當于從地面發射的1/3。顯而易見，這種新穎的航天發射方式，與地面發射火箭比較起來，更為經濟和更具競爭力。

靈活快速

從地面發射的液體燃料火箭準備時間長達數天、數周甚至更久，部分原因在于注入燃料需花費大量時間。相比之下，固體燃料火箭從飛機發射的速度較快，只需12小時準備。地面發射需要龐大基礎設施，精心規劃排定整個發射流程，充分考慮發射場及落區的安全性。空基運載火箭可以在空中進行發射，因此對地面基礎設施依賴度很低。太空的衛星也會受敵方攻擊，通過運輸機發射火箭可以機動安全快速的發射衛星上太空補充已被摧毀的衛星。由于火箭可隨飛機到處飛，因此，空射運載火箭能隨心所欲地選擇發射區域，不受地理環境的限制，能克服發射范圍及天氣限制等問題，能夠克服戰時火箭發射場可能受到被敵方摧毀的威脅，有效增加發射窗口寬度。

節能環保高效

使用的飛機在現有大型機場跑道上即可起飛，完成釋放火箭任務后又可在同一軌道上進行降落，省去了專用的火箭發射臺，避免了地面污染和環境噪聲。從空中發射，載機相當于運載火箭的基礎級，能提高運載火箭本身的運載能力，同對等的從地面發射的運載火箭相比，運載能力幾乎可以提高一倍。把飛機作為整個發射系統的第一級，飛機的速度可使運載火箭的性能提高1%～2%，空中發射時發射高度上的氣壓只有海平面的25%。這樣，運載火箭的噴管就比較好設計，不必權衡從海平面到接近真空的工作環境的變化。另外，在高空發射運載火箭時不僅結構和熱應力低，而且動壓也低，這對發射很有利。在有效載荷一定時，高空發射運載火箭所需要的總的速度可以降低10%～15%。

劣勢與難點

橫向運動速度不夠快

運載火箭能夠入軌，難點不在于飛得高，而在于飛的快，至少達到第一宇宙速度，即7.9km/s。因此，提高火箭的橫向運動速度，而非垂直高度，才是一次發射中的關鍵中的關鍵。不考慮火箭推進的試驗機，如今飛的最高最快的量產型噴氣式飛機是美國的SR-71“黑鳥”偵察機和蘇聯/俄羅斯用來克制它的米格-25/31截擊機，均可在最高3萬米以3倍聲速大約1000米/秒的速度進行飛行。且不說能扛一個火箭的飛機還能不能飛這么快，即使能，這個速度還是遠低于7900米/秒的第一宇宙速度，這并不能給火箭省多少力。此外，因為火箭的形狀本身不產生升力，脫離飛機后還必須分出一些推力向下噴來防止自己再掉下去，而垂直發射的火箭到達這個高度的時候已經有足夠的向上速度矢量。

可靠性還需進一步改進

航天發射拼技術，更拼可靠性，把一個火箭系統的可靠性從99%提升到99.5%花的錢可以再造好多個可靠性達99%的火箭。而對于一次性的火箭和可重復使用的飛機，可靠性這個詞定義是完全不同的。單就發動機來說，火箭的工作時間只有幾十秒到幾分鐘，只要在這段時間內不會出錯，這個火箭發動機就是可靠的。SpaceX的“獵鷹”火箭最早的噴口冷卻是靠在內部加一層材料，這層材料過熱了就會逐片脫落，從而保護整個發動機。而航空噴氣式發動機上需要考慮的卻多得多，不僅僅是長時間工作，還需要多次冷起動，熱起動。

運載、分離難度高

裝載具有較大尺寸和重力的運載火箭，對飛行器的承載能力要求很高，同時也要仔細考慮飛行器與運載火箭的匹配性。這不僅要求具備大型飛行器，還須具有改裝飛行器和運載火箭的能力。運載火箭裝載后，由于其運載火箭體積和重量都較大，會在很大程度上限制載機的飛行靈活性。特別是當運載火箭外掛在飛行器上時，將對飛行器的承載能力要求更高。飛行器速度高、運載火箭重量大，這不僅要求飛行器具有較高的承載能力，而且大型運載火箭在投放后，又會突然減輕飛行器的重量，使飛行器處于失控的危險狀態。

控制運載火箭的空中姿態和制導難度大

運載火箭分離后，必須逐步調整姿態，只有在正確的方向才能進行發動機點火，所涉及的技術難度非常高。陸基發射的發射點坐標經過精確測量，而空基發射的運載火箭屬于動基座，要掌握動基座下慣性系統的初始對準技術具有很高的難度。空基發射運載火箭時，由于飛行器發射點的坐標無法精確確定，使得運載火箭進入發射前的定位信息無法準確獲取，是飛行器空基發射運載火箭難于陸基發射的重要因素。

國外火箭空中發射技系統概況

美國

“飛馬座”系列

“飛馬座”采用外掛式安裝、投放發射方式。火箭最初從租用的美國空軍B-52飛機上發射，1992年5月，軌道科學公司購買了一架L-1011運輸機專門用作火箭的發射載機，并對其進行了改進。“飛馬座”包括標準型和xL加長型兩個型號，標準型200千米近地軌道運載能力為375千克，XL加長型相同軌道運載能力為443千克。其中，“飛馬座”XL為有翼的三級固體運載火箭，翼展6.7米，火箭起飛質量約23.1噸，全長16.9米，直徑1.27米。“飛馬座”1990年首飛成功，截至2013年已完成42次商業發射。根據對2000年前共70顆衛星的發射情況統計分析，“飛馬座”系列運載火箭有效載荷的任務用戶包括美國國防部、美國國家航空航天局和軌道科學公司。有效載荷可分為4類，包括31顆低軌道通信衛星、18顆技術實驗小型衛星、16顆軍方或政府用小型衛星、5顆小型商業衛星。“飛馬座”系列運載火箭服役期間的最高年發射次數為6次，發射價格約1400萬美元。

“快速到達”運載火箭

“快速到達”空射運載火箭采用機艙內安裝、投放發射方式，其發射載機采用不經改造的C-17A運輸機，投放高度為9000米，投放速度馬赫數為0.6。投放時，依靠火箭自身重力作用和傘的牽引作用實現機箭分離。目前已經完成了階段性的設計工作，主要包括火箭原型設計、多次火箭發動機點火試驗、級間分離試驗等，2005-2006年已完成32.7噸、35噸等3次空中投放試驗，表明未經改裝的C-17運輸機均可用于空射小型運載火箭，投放系統的通用性和可靠性都非常高。

“平流層發射”運載火箭及載機

“平流層發射”空射運載火箭的概念由美國平流層發射系統公司提出，軌道科學公司研制。該運載火箭借鑒“飛馬座”的研制經驗，進一步加大了運載能力，并采用外掛式安裝、投放發射方式，載機為超大雙體運輸機ROC，飛行中運載火箭掛載在兩個機身之間。運載火箭為四級固體火箭，近地軌道運載能力6.8噸。根據公開報道，載機將在2016年進行首次試飛，預計2018年進行空中發射首次演示驗證。

俄羅斯

俄羅斯也很早就開始研究運載火箭空中發射技術，這種發射系統由1架改裝的安-124-100AL飛機、1枚兩級運載火箭和1個上面級組成，待飛機爬升到11千米的高空后，再釋放運載火箭，隨即后者點火逐級工作，完成發射程序。目前俄羅斯正與印尼合作推動一個名為“空中發射”的項目。其具體內容是，俄大型運輸機飛臨印尼的比亞克島上空，飛機內的輕型運載火箭離開機艙后點火升空，將衛星送入預定軌道。2013年5月1日，俄羅斯預研基金會稱計劃于2020年實施“空中發射”方案，載機為安-225飛機。

日本

日本的M-V空射運載火箭方案由日本宇宙航空科學研究所提出，M-V火箭采用“背馱式”裝載在波音747上，當速度達到約馬赫數0.7，高度為10000米時脫離載機。M-V為帶翼三級固體火箭，全箭長17.25米，翼展6.6米，總質量51.9噸。“空中發射系統技術”是日本政府資助的空中發射小型運載火箭項目，近地軌道運載能力為100～200千克，其載機可采用美國C-130運輸機等，火箭采用內裝式。

烏克蘭

1994年，烏克蘭開始研究以伊爾-76TD發射起飛重量為18.5噸、運載能力為200千克的空射固體運載火箭。1996年至1997年，烏克蘭研究以安-124為載機，以SS-24二、三級為基礎的“鷹”空射固體運載火箭，還在研究用高能燃料的改進型空射固體運載火箭。“鷹”運載器將從安-124-100運輸機上投放，完成運輸機的研制和改進費用為1億美元。“天頂”2的空射型號“黎明”更大，它由安225投放，低地軌道運載能力可以高達8000千克，而“鷹”將具有1000千克類似軌道的有效載荷能力。

瑞士

瑞士太空系統公司公布了一項研制可重復使用的小型衛星發射系統的計劃，預計2017年進行首次飛行。該發射系統能夠從“空客”A300機頂空射一個可重復使用的類似于升力體的運載火箭，然后再依次釋放一個一次性的第三級段。發射系統是以法國達索公司的機載可重復使用“高超聲速飛行器”（VEHRA）概念為基礎研制。瑞士太空系統公司將利用這個發射系統將質量250千克的有效載荷送入低地球軌道。該系統計劃于2017年發射，目前該公司已與馬來西亞太空發射場簽訂了協議。

發展趨勢

運載火箭空中發射是美、俄等航天強國競相發展的重要方向。美、俄均非常重視空間進入保障能力建設，紛紛建立完善的具有一定機動能力、可以快速發射的空間服務系統。其中，美國在“飛馬座”火箭已經十分成熟和“快速到達”火箭內裝式空投分離關鍵技術已突破的基礎上，通過“平流層發射”火箭和ALASA項目，將空射運載火箭的構型范圍進一步拓展，從而實現微、小、中、大的全面覆蓋。

運載火箭空中發射代表了軍事裝備的新需求。“飛馬座”、“快速到達”和ALASA項目分別成為運載火箭在使用靈活性、快速響應性以及低成本上的新標志。比如“飛馬座”實現了從美國7個靶場進行起飛發射；“快速到達”擬實現在緊急情況下24小時內完成16次發射的快速響應需求；ALASA項目通過選取新型推進劑和兩級共用發動機設計降低系統復雜度和成本，如果試驗成功，將使每次發射成本不超過100萬美元。

運載火箭空中系統轉向專門定制火箭。“飛馬座”火箭購買了一架L-1011運輸機專門用作火箭的發射載機，并對其進行了改進。但隨著火箭技術的日趨成熟，為了進一步降低載荷發射成本，“快速到達”火箭和ALASA項目都采用了不需改進的載機平臺，從而實現在任何位置、時間發射載荷，火箭則可根據小型載荷進行專門設計。

編輯：戴嘉琦