空射火箭：有待實(shí)踐檢驗(yàn)的理念

文/ 王佳

所謂空射運(yùn)載火箭，就是把火箭裝在飛機(jī)上，到一定高度后脫離載機(jī)，自己點(diǎn)火飛行。專業(yè)上對(duì)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(yùn)載火箭形成了對(duì)比，后者被稱作垂直起飛航天發(fā)射。

▲ “運(yùn)載器一號(hào)”要從飛機(jī)上下落一段距離才點(diǎn)火

空射火箭簡(jiǎn)史

用飛機(jī)發(fā)射火箭推進(jìn)的物體并不是新生事物。在過(guò)去幾十年的時(shí)間里，空軍用攻擊機(jī)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(gè)東西發(fā)射到地球軌道上，達(dá)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(lái)發(fā)射衛(wèi)星的，而是打衛(wèi)星。1984 年，一架美國(guó)空軍的 F15 戰(zhàn)斗機(jī)攜帶ASAT 反衛(wèi)星導(dǎo)彈從地面升空，把這枚導(dǎo)彈射進(jìn)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(guó)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(yùn)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(gòu)。俄羅斯也曾經(jīng)展出一種空射運(yùn)載火箭，它的第一級(jí)甚至能夠在發(fā)射結(jié)束后自己返回地面，但是這種型號(hào)并沒(méi)有投入研制。

▲ “運(yùn)載器一號(hào)”升空

在衛(wèi)星尚沒(méi)有充分小型化的時(shí)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(duì)小火箭的研發(fā)熱潮，但是這股熱潮起初并沒(méi)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(jī)，有大型、空閑的機(jī)場(chǎng)，廣闊的空域才能開展空射火箭的飛行，這一點(diǎn)目前僅美國(guó)和俄羅斯可以做到。不過(guò)小衛(wèi)星發(fā)射需求的日益旺盛，讓不少美國(guó)航天創(chuàng)業(yè)者心動(dòng)不已，推出了一些方案，在這當(dāng)中也有兩個(gè)水平起飛空射火箭方案。兩個(gè)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(jī)、火箭吊在中間的設(shè)計(jì)。維珍軌道公司采用了購(gòu)買現(xiàn)成單體大型飛機(jī)，火箭吊在一側(cè)機(jī)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(jìn)一退。平流層公司因?yàn)閯?chuàng)始人離世而陷入危機(jī)，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(chǎng)，還是一個(gè)有待實(shí)踐檢驗(yàn)的理念。

▲ 掛在“宇宙少女號(hào)”機(jī)翼下的“運(yùn)載器一號(hào)”

▲ 掛在機(jī)翼下的飛馬座空射火箭

▲ 檢測(cè)中的飛馬座空射火箭

空射火箭的局限性與優(yōu)點(diǎn)

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

那么可以用軍用運(yùn)輸機(jī)嗎？軍用運(yùn)輸機(jī)一般采用上單翼，不分乘客艙和行李艙，機(jī)身里面是一個(gè)完整的筒狀空間。機(jī)翼連接在機(jī)身上部，這樣可以把發(fā)動(dòng)機(jī)吊得盡量高一些，在野戰(zhàn)機(jī)場(chǎng)起降時(shí)不容易吸進(jìn)沙石。聽起來(lái)這很適合掛裝火箭，而且美國(guó)俄羅斯都有不少退役的大型運(yùn)輸機(jī)可以拿來(lái)用。然而軍用飛機(jī)和民用飛機(jī)在航空管理上有很大的區(qū)別，軍用運(yùn)輸機(jī)的噪聲、無(wú)線電設(shè)備、對(duì)維修維護(hù)的要求、操作方式，都和民航飛機(jī)區(qū)別很大。而且因?yàn)樵O(shè)計(jì)理念不同，軍用運(yùn)輸機(jī)的使用成本要比民航飛機(jī)高得多，并不適合商業(yè)公司拿來(lái)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(jī)似乎是很合理的。這就是平流層發(fā)射公司的初心。然而因?yàn)楣緞?chuàng)始人、億萬(wàn)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(guò)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(jī)已經(jīng)被介紹成了高超音速試驗(yàn)平臺(tái)。這與美國(guó)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(diǎn)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。火箭噴氣的效率也會(huì)受到大氣壓力的影響，高壓時(shí)膨脹過(guò)度低壓時(shí)膨脹不足，帶來(lái)了推力損失。飛機(jī)的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)可以通過(guò)調(diào)節(jié)噴管尾部形狀來(lái)適應(yīng)這種氣壓變化，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上卻沒(méi)有空間容納復(fù)雜的調(diào)節(jié)機(jī)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(duì)高空低氣壓做優(yōu)化設(shè)計(jì)就可以了。

▲ 平流層發(fā)射如今已經(jīng)定位在高超音速試驗(yàn)平臺(tái)

▲ 平流層飛機(jī)曾被設(shè)計(jì)為同時(shí)掛載三枚飛馬座火箭

在從地面起飛到火箭點(diǎn)火高度的這段時(shí)間里，載機(jī)和空射火箭作為一個(gè)整體，推進(jìn)比也更高一些。航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)高得多。一般來(lái)說(shuō)，民航機(jī)的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，比沖高達(dá)3000 秒，而馬斯克的灰背隼發(fā)動(dòng)機(jī)海平面比沖只有300～400 秒。而且因?yàn)榛鸺窃诖髿鈱觾?nèi)與載機(jī)分離的，火箭的第一級(jí)同樣可以采用吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，例如比較成熟的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，甚至是研制中的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)一步提高比沖。

空射火箭的缺點(diǎn)

說(shuō)了這么多的優(yōu)點(diǎn)，空射運(yùn)載火箭也有無(wú)法克服的缺點(diǎn)。我們用鋼鐵俠馬斯克本人的話來(lái)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(hào)火箭進(jìn)入成熟期之后，他對(duì)空中發(fā)射表達(dá)了否定的意思。他在一次訪談節(jié)目中表示：“看起來(lái)空中發(fā)射把火箭帶到了高空，達(dá)到了0.7～0.8 倍音速，還可以在噴管上實(shí)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(jìn)的幅度非常小，大概是5%，而且需要一架大型飛機(jī)才能做到這一點(diǎn)。從我的角度來(lái)看，是制造一架巨型飛機(jī)更劃算，還是把火箭本身放大5%更劃算？當(dāng)然是第二個(gè)！”

▲ 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(jī)空中發(fā)射

馬斯克還指出了空射運(yùn)載火箭的另一個(gè)問(wèn)題：火箭從飛機(jī)上脫離的時(shí)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(duì)巨大的三角翼，這不僅占用了結(jié)構(gòu)重量，在轉(zhuǎn)向時(shí)也會(huì)帶來(lái)不可忽視的能量損失。對(duì)于錙銖必較的航天發(fā)射來(lái)說(shuō)，這些損失也不算少。如果載機(jī)能在垂直爬升的過(guò)程中把火箭甩出去，是最理想的。然而大型飛機(jī)是很難做到垂直爬升的，無(wú)論波音747還是平流層發(fā)射平臺(tái)都做不出這么激烈的動(dòng)作來(lái)。★

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(shí)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(jì)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(yùn)載能力達(dá)到7噸。用來(lái)發(fā)射它的平臺(tái)是平流層發(fā)射出現(xiàn)之前世界上最大的飛機(jī)安-225。MAKS的上面級(jí)是可以重復(fù)使用的，能夠天地往返10 次。這個(gè)宏大的構(gòu)想沒(méi)能實(shí)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(méi)有下文。

其實(shí)還有幾個(gè)沒(méi)能搞下去的空射火箭項(xiàng)目，其中包括用平流層平臺(tái)發(fā)射的“飛馬座”，“獵鷹9 號(hào)”空射版，XCOR 宇航公司的“猞猁3”等型號(hào)。另外美國(guó)宇航局和歐空局也各有一個(gè)非營(yíng)利的空射火箭項(xiàng)目。

拖曳式滑翔機(jī)空中發(fā)射系統(tǒng)

拖曳式滑翔機(jī)空中發(fā)射系統(tǒng)（TGALS）是美國(guó)宇航局設(shè)計(jì)的兩級(jí)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(jī)、牽引機(jī)和火箭，設(shè)計(jì)用于將小型衛(wèi)星送入軌道，滑翔機(jī)和牽引機(jī)都可重復(fù)使用。

該系統(tǒng)的獨(dú)特之處在于，它是從滑翔機(jī)上發(fā)射的。

該系統(tǒng)由三個(gè)大部件組成：牽引飛機(jī)、滑翔機(jī)和火箭。牽引飛機(jī)是一種傳統(tǒng)的小型飛機(jī)，它將滑翔機(jī)帶到大約12000 米的高度。滑翔機(jī)攜帶了混合動(dòng)力或固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)后滑翔到比牽引飛機(jī)更高的位置。在火箭燒盡后，滑翔機(jī)將釋放系統(tǒng)的第三級(jí)（完全由火箭驅(qū)動(dòng)），把有效載荷送入近地軌道。

美國(guó)宇航局的構(gòu)想旨在創(chuàng)造一個(gè)平臺(tái)，可以發(fā)射質(zhì)量是滑翔機(jī)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(jī)的火箭。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是滑翔機(jī)不帶發(fā)動(dòng)機(jī)，機(jī)翼更長(zhǎng)、更輕，因此總質(zhì)量更低，美國(guó)宇航局曾在一份報(bào)告中討論了這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：

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

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

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

按照2015 年時(shí)的計(jì)劃，后續(xù)要從三分之一比例的滑翔機(jī)上釋放一枚小型無(wú)動(dòng)力火箭，然后在滑翔機(jī)上安裝一枚小型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，以測(cè)試火箭助推滑翔機(jī)設(shè)計(jì)的可行性。然后建造一個(gè)全尺寸平臺(tái)，但該計(jì)劃并無(wú)下文。

畢宿五火箭項(xiàng)目

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

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

MLA

由阿斯特里姆公司和達(dá)索航空公司聯(lián)合開發(fā)，用戰(zhàn)斗機(jī)來(lái)發(fā)射一種多級(jí)運(yùn)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(guó)軍方也表示，他們對(duì)一種類似于美國(guó)ORS 火箭的概念感興趣。

和民航飛機(jī)相比，戰(zhàn)斗機(jī)速度快、機(jī)動(dòng)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(dòng)控制面。戰(zhàn)斗機(jī)還可以做空中加油，對(duì)機(jī)場(chǎng)要求比較低，如果發(fā)射中止，還能自行返回機(jī)場(chǎng)。

但是因?yàn)閼?zhàn)斗機(jī)體積比較小，機(jī)翼到地面的距離也不大，因此所能發(fā)射的運(yùn)載火箭的質(zhì)量和體積能力受到很大限制。

MLA-D

阿斯特里姆提出的型號(hào)，長(zhǎng)6.5 米，直徑0.9 米，重4 噸。第一級(jí)將由一個(gè)3 噸重的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和矢量噴管組成。上一級(jí)為一臺(tái)液體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，可以攜帶600 千克燃料，可以用達(dá)索陣風(fēng)或者歐洲臺(tái)風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)射。

MLA 三體船

達(dá)索航空提出的捆綁式三級(jí)火箭，一級(jí)火箭帶有兩個(gè)捆綁式的助推器。這種火箭要掛在陣風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)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(qiáng)，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(jī)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(diǎn)火工作42 秒，火箭達(dá)到36 千米高度、馬赫數(shù)6.5。助推器分離后，第二級(jí)在78.5 千米高空、4.5 千米/秒速度時(shí)點(diǎn)火。整流罩分離后，第三級(jí)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(jìn)入800 千米高的圓軌道。

上述方案都停留在紙面上，沒(méi)有投入工程研制。