空中發(fā)射的“大鵬”：同溫層發(fā)射系統(tǒng)

文/張雪松

▲ 最終的發(fā)射構(gòu)型：“大鵬”掛載三枚飛馬座火箭

在我們的印象中，運載火箭基本是地面發(fā)射場發(fā)射的，比如我國為了發(fā)射長征五號和長征七號專門建設(shè)了文昌發(fā)射場。然而，也有些運載火箭是海上甚至空中發(fā)射的，比如聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟的海射系統(tǒng)，以及空射的飛馬座火箭。火箭空射方式不僅規(guī)避了落區(qū)問題，射向更加靈活，而且飛機本身帶有初速和高度，相當(dāng)于給火箭加了一個助推器，提高了火箭運力。此外空射還規(guī)避了地面發(fā)射場不利天氣的干擾，使用上具有更多的靈活性。

空射火箭的歷史

空射火箭最早的嘗試是美國的飛馬座運載火箭，1990年4月5日美國使用B-52轟炸機攜帶一枚飛馬座火箭試射成功，后來軌道·ATK公司購買了一架洛·馬公司的L-1011“三星”大型客機作為飛馬座火箭的載機。自1990年以來飛馬座空射火箭已經(jīng)進行了43次發(fā)射，其中3次失敗2次部分失敗，其成功率雖然偏低，但考慮到它是第一種空射火箭外加空射方式靈活性的優(yōu)勢，仍然是相當(dāng)可圈可點的。飛馬座空射火箭的成功，讓投資者對空射火箭興趣大增，且不說維珍銀河公司那個空射亞軌道旅游的太空船二號飛船，維珍銀河公司還在研制發(fā)射載具一號空射運載火箭，而美國大富翁保羅·艾倫更是投資建立了同溫層發(fā)射公司，要將空射運載火箭的水平提高到前所未有的高度。

▲ “大鵬”飛機在莫哈維機場準(zhǔn)備測試

▲ 同溫層發(fā)射的大飛機：“大鵬”（Roc）

空射火箭的載機

提起大飛機，我們會想到美國C-5、波音747，“發(fā)射載具一號”空射火箭就打算使用波音-747改裝機發(fā)射。地球的另一邊，安東諾夫設(shè)計局還研制了安-124尤其是安-225運輸機，“安-225”是當(dāng)今世界最大的飛機，然而它的地位已經(jīng)受到了挑戰(zhàn)，挑戰(zhàn)者就是同溫層發(fā)射系統(tǒng)的載機，綽號“大鵬”（Roc）的大型飛機。2011年保羅·艾倫創(chuàng)建了同溫層發(fā)射公司，其宗旨就是通過空射方式降低入軌成本，提供更方便和可靠的航天發(fā)射能力，推動航天商業(yè)化的發(fā)展。保羅·艾倫財大氣粗，他并不滿足于L-1011客機加飛馬座火箭這樣的小型衛(wèi)星發(fā)射能力，而是要躋身中型火箭發(fā)射市場。運載火箭從起飛升空到飛到萬米高空，初期加速慢，耗用燃料多，再加上低空稠密大氣阻力更大等因素，節(jié)省的燃料還是相當(dāng)可觀的。然而，空射方式雖然提高了火箭的運力，但L-1011載機釋放高度約12.4公里，速度也只是亞音速，火箭釋放分離時的高度和速度距離入軌相去甚遠，絕大部分的速度增量仍是火箭提供的。簡而言之，空射火箭的運載系數(shù)提高相當(dāng)有限，所以要發(fā)射中型衛(wèi)星，空射的火箭還得是百噸級的中型火箭，這就需要重量尤其是尺寸前所未有的大型飛機！

▲ 同溫層發(fā)射的飛行軌跡

超級“大鵬”出世

同溫層發(fā)射的“大鵬”載機由著名的比例復(fù)合材料公司設(shè)計，這家公司是不加油環(huán)球飛行的旅行者號的設(shè)計者，也是太空船一號和二號載機的研制者，“大鵬”載機同樣使用了他們輕車熟路的雙機身設(shè)計。“大鵬”到底有多大呢，我們來看看具體數(shù)據(jù)：這架飛機翼展385英尺（117.35米），比當(dāng)年休斯造的H-4水上飛機和當(dāng)今最大的安-225（翼展88米）都大了約20米；“大鵬”載機的長度為238英尺（72.54米），垂尾高度為50英尺（15.24米），這些數(shù)據(jù)比之“安-225”就有些遜色了；“大鵬”載機使用6臺普惠公司的PW4056大推力渦扇發(fā)動機，單發(fā)推力25.75噸，為了降低研制成本，這些發(fā)動機是從波音747-400客機上拆下來的。事實上，為了制造“大鵬”他們專門購買了兩架波音747-400客機，除了6臺發(fā)動機外，航電和起落架也都是從兩架波音客機上拆下來的，當(dāng)然雙機身設(shè)計以及機身機翼這些核心部分是比例復(fù)合材料公司制造的，“大鵬”也一躍成為世界上最大的復(fù)合材料飛機！

▲ “大鵬”和空射獵鷹9號中型火箭

“大鵬”載機空重226.8噸，不外掛火箭時起飛質(zhì)量340.2噸，最大起飛質(zhì)量可達589.68噸，或者說外掛能力可達250噸，足以掛載典型的200噸級中型火箭，這也是它專門采用雙機身設(shè)計的根本原因。為了實現(xiàn)更靈活的發(fā)射能力，“大鵬”載機的航程也相當(dāng)可觀，它的典型飛行半徑可達1000海里（1852公里），從加州莫哈維機場出發(fā)飛到東太平洋上空發(fā)射，可以滿足不同軌道和射向的發(fā)射需要。2017年5月31日“大鵬”從莫哈維機場下線，開始進行地面測試和發(fā)動機測試，同年12月進行了45公里/小時的低速滑跑試驗，今年2月“大鵬”又進行了74公里/小時的低速滑跑試驗，按照預(yù)定計劃“大鵬”將在2019年進行首次試飛！

總而言之，保羅·艾倫投資的“大鵬”載機和安東諾夫設(shè)計局的安-225運輸機性能各有千秋，雖然“大鵬”的最大起飛質(zhì)量低于安-225運輸機，但這是它外掛火箭的獨特設(shè)計所致，以美國航空工業(yè)的技術(shù)積淀，造一架全面超越“安-225”的超級飛機并無難度。

前途迷茫的“大鵬”

保羅·艾倫的“大鵬”大型載機已經(jīng)橫空出世，雙身巨獸讓人耳目一新，但同溫層空射的“大鵬”能否大獲成功呢？從目前的趨勢看還真不樂觀，“大鵬”已出，但空射運載火箭卻拖了后腿。

2011年空射概念正是火爆的時候，保羅·艾倫提出了同溫層發(fā)射系統(tǒng)和“大鵬”飛機，而火箭則瞄準(zhǔn)了SpaceX公司，打算聯(lián)合研制一種名為空射獵鷹9號（Falcon 9 Air）的中型火箭，這種火箭只用4臺梅林1D發(fā)動機，近地軌道運力可達6.1噸，同步轉(zhuǎn)移軌道運力也有2.3噸，大致相當(dāng)于印度現(xiàn)在GSLV MK II火箭的運力。一旦空射獵鷹9號成功，后續(xù)還將研制載人版空射火箭！然而計劃沒有變化快，同溫層空射公司和SpaceX公司對空射火箭的設(shè)計出現(xiàn)分歧，兩家公司最終分道揚鑣，好在美國航天工業(yè)實力雄厚，2012年保羅·艾倫又找到軌道·ATK公司合作，打算研制飛馬座II空射火箭。

飛馬座II空射火箭可比飛馬座火箭大多了，它前兩級使用軌道·ATK公司的大型固體火箭，第三級原計劃使用氫氧低溫發(fā)動機。當(dāng)然，對于空射系統(tǒng)來說，復(fù)雜和昂貴的低溫上面級太難用了，2014年它還是被兩級固體火箭發(fā)動機取而代之。飛馬座II火箭同樣有6.1噸的近地軌道運力，同步轉(zhuǎn)移軌道運力可達2噸，當(dāng)然它的發(fā)射質(zhì)量也高達211噸。2014年同溫層發(fā)射公司還發(fā)布視頻，打算用飛馬座II火箭發(fā)射追夢者小型航天飛機入軌，縮比的追夢者飛機可載2-3人，看來保羅·艾倫對載人航天始終念念不忘。然而天有不測風(fēng)云，2015年飛馬座II火箭的研制進度不盡人意，同時同溫層發(fā)射公司尷尬的發(fā)現(xiàn)，空射中型火箭的市場前景不妙，只好擱置了飛馬座II火箭的方案，轉(zhuǎn)而研究其他的空射火箭方案。

同溫層發(fā)射公司研究了70多種不同的空射方案。最終選中了小型火箭并聯(lián)發(fā)射方案。具體地說，“大鵬”將一次任務(wù)將掛載三枚飛馬座火箭，用于發(fā)射市場需求旺盛的微小衛(wèi)星。上文提到飛馬座火箭是第一種空射火箭，現(xiàn)在保羅·艾倫繞了一個大圈，花了上億美元造了超級“大鵬”飛機，最后又回到飛馬座火箭上來，這實在讓人哭笑不得。如果不空射中型火箭，何必要研制這么大的“大鵬”呢？要知道飛馬座火箭的質(zhì)量只有23噸而已，三枚火箭也只有69噸重，最大外掛能力250噸的“大鵬”并聯(lián)掛載飛馬座實在是大材小用。“大鵬”飛機如此巨大，且不說研制費用，使用費用也要比L-1011等客機高得多，“大鵬”這個同溫層發(fā)射的雙身巨獸雖大，但能否鵬程萬里還真是未知數(shù)呢。