基于運輸機的空射技術

文/ 劉琳

本世紀初，美國開展了基于現役軍用運輸機為平臺的空中發射技術研究，在國防高級研究計劃局（DARPA）的資助下，基于C-17飛機平臺，以快速到達號兩級液體火箭為研究目標，提出了內裝式重力空中發射技術（GAL）方案，歷經概念階段（2003.6-2003.9）、第一階段（2003.9-2004.9）、第二A 階段（2004.9-2005.10）、第二B 階段（2005.10-2006.7）的工作，完成了17 次發動機試車和3 次空中投放試驗，同期，項目組開展了系索空投（t/LAD）方法研究，在2005年完成了3 次縮比空投試驗。但受到海上發射爆炸事故影響，DARPA 擔心飛機內裝液體火箭的安全性風險，項目在2007年被取消。內裝式重力空中發射技術（GAL）研究終止后，項目組提出了火箭外置于C-17 飛機的拖曳式垂直空中發射技術（VAL）方案，并于2012年申請技術專利。

空射技術的起源

把載荷從地球送入軌道的最大挑戰來源于地球大氣。在200 千米高度近地軌道的運行速度為7784 米每秒，但由于存在地球大氣，如果從地面實施航天發射，為了克服經過大氣的重力損失、阻力損失、轉向損失、大氣壓力損失等，火箭所需的總速度增量達到9000 米每秒到9400 米每秒；同時，發動機在真空狀態下可以獲得最佳性能，任何外部的環境壓力都會造成推力損失，假設推進劑的真空比沖可以達到450 秒，其海平面比沖僅可達到360秒～370 秒水平。經過數十年火箭技術的發展，要大幅提升動力性能已經愈發艱難，降低箭體結構重量也幾乎到達極限。于是，航天工程師們提出了另一種思路——提升發射高度：將發射高度從0 千米提升到10 千米，火箭所需速度增量減少近1000 米每秒，也就意味著從10 千米高空發射火箭，與地面發射相比，可以避免60%的速度損失。這正是自上世紀50年代，美國就致力于開展空射導彈、空射運載火箭等項目研究的最大動力——空中發射技術可以有效地改善火箭發動機系統性能，并減少運載火箭上升段的速度損失。此外，載機還可以飛到任意軌道傾角所對應的緯度，也提升了任務實施的靈活性。

▲ 重力空中發射技術

▲ 存儲發射托架（SLC）

獵鷹計劃

2003年6月，美國國防高級研究計劃局（DARPA）舉辦了為期6 個月的小型運載火箭（SLV）研究競賽——獵鷹計劃（Falcon），旨在尋找針對小型衛星的快速響應發射技術。通過“九進四”、“四進一”的兩輪選拔，最終空中發射公司（Air Launch LLC）勝出，被授權開展2B 以及2008年的2C 階段的演示驗證工作，并獲得1780 萬美元的資金支持。

▲ 釋放鏈（CRS）

獵鷹計劃的具體技術指標是：在24小時內，將重453 千克的衛星送入軌道傾角為28.4°、高度為185 千米的近地軌道，有效載荷的尺寸包絡為101.6 厘米×152.4 厘米，發射費用不超過500 萬美元。

快速到達項目

美國空中發射有限責任公司（AirLaunch LLC）對標獵鷹計劃指標，設計了快速到達號空射火箭（QuickReach），運載火箭重33 噸，采用兩級液體構型，整流罩尺寸能夠滿足不大于907 千克重量載荷的安裝空間。為了降低發射成本，快速到達號火箭采用簡單和便宜的蒸汽加壓替代傳統泵式加壓系統，推進劑采用可以自增壓和易操作的液氧丙烷，結構布局上使用了“俄羅斯式”的套裝方式，將二級發動機安裝在一級丙烷貯箱內，取消級間段實現全箭的緊湊布局，降低了全箭重量和成本。

重力空中發射技術（GAL）

內裝式重力空中發射技術方案是：將快速到達號液體運載火箭內置于未經改裝的C-17 飛機貨艙內，飛行到公海區域后，機身調整到6°仰角，調整貨艙壓力，打開尾艙門，拋出降落傘；接到發射命令后，火箭依托自身重力，在穩定傘的輔助作用下滑出機艙，大約3 秒后，運載火箭俯仰角達到70°～80°時，一級發動機實施空中點火。

重力空中發射系統主要由3 個部分組成，分別是存儲發射托架、釋放鏈和C-17 運輸機。存儲發射托架由兩排輪胎組成，輪胎采用直徑為44.5 厘米的航空商業輪胎。該輪胎可以在海拔13.7 千米高度下連續工作。存儲發射托架上共計84 個輪胎，最后三排輪胎采用雙倍的數量布局（即12 個輪胎）。存儲發射托架重量為3.7 噸，可以兼容C-17 飛機的貨艙地面軌道以及貨艙內吊架系統的標準接口。發射前，存儲發射托架和快速到達號火箭為整體貯存，滿足長壽命、低成本和少維修的使用要求。

火箭由釋放鏈系留固定在貨艙內，鏈條為C-17 的標準鏈條，火箭分離時采用自動或者手動的氣動解鎖方式。在進行模擬箭空投試驗時共用了12 根鏈條，火箭每側6 根。

重力空中發射系統基于C-17 飛機的3 次模擬箭空投試驗均非常成功：2005年9月，項目組在愛德華茲空軍基地完成了空投22.7 噸模擬箭的試驗；2006年6月，空投了29.5 噸試驗箭，創造了C-17飛機投放的單體重量記錄；2006年7月，空投32.7 噸的試驗箭，再次刷新記錄。

垂直空中發射技術

2007年，由于擔心運載火箭在飛機內部或者附近發生爆炸，重力空射技術演示驗證試驗被叫停。同時，汲取了同年“天頂號”海射火箭的失利經驗，研究團隊提出垂直空中發射技術（VAL）方案，目的是采用飛機牽引垂直空射撬（VALS）裝置的方式，實現在距離載機數百米之外進行火箭發射，提升空中發射的安全性。

拖曳式垂直空中發射技術方案是：以在愛德華茲空軍基地實施發射為例，該空軍基地的跑道長度為4572 米，VALS 裝置攜帶運載火箭位于跑道的近端，載機與VALS 裝置之間的牽引繩長度為640 米。C-17 飛機在滑跑670.6米后升空，48 秒后，飛機爬升到640米的高空，此時VALS 裝置到達跑道的遠端并離開地面。牽引繩長度需要根據跑道長度和飛機類型進行設計，以采用C-17 飛機為例，經過計算，不同長度的跑道與牽引繩的對應關系如表所示。

▲ 快速到達火箭示意圖

▲ 空投試驗箭示意圖

▲ 地面跌落試驗

▲ 全尺寸模擬出艙試驗

▲ 垂直空中發射技術方案

跑道長度與牽引繩長度關系

當飛機拖曳著VALS 裝置和運載火箭到達約7.6 千米高度時，VALS 裝置通過旋轉短翼結構調整發射姿態，達到預定發射姿態后5 秒，系統對發動機狀態進行判斷，如果動力系統正常，則由VALS 裝置釋放運載火箭完成空中發射。發射完成后，C-17 飛機攜帶VALS裝置返回機場跑道，VALS 裝置以3 米每秒的速度進場著陸，過程類似于艦載機在航母上的著陸方式。VALS 裝置著陸時完成與牽引繩的分離，之后C-17飛機再繞場一周釋放牽引繩，當飛機第三次經過機場跑道時，C-17 飛機降落。

垂直空射撬（VALS）裝置外形類似于滑翔機，但是為了便于控制，取消了兩側滑翔翼，改用短翼布局，同時短翼結構可以在火箭發射前調整自身姿態，有利于獲得更好的發射角度，提升系統入軌能力。VALS 主要由牽引繩、拖攬和主結構（含起落架）組成。

牽引繩由多股編織繩組成，強度相當于鋼絲繩，但重量僅為相同強度鋼絲繩的七分之一，如直徑為7.62 厘米的繩索強度可達到340 噸力。牽引繩與飛機的連接共3 種方式，但從響應時間上看，采用連接到飛機艙內托盤的方式最為便捷，也是研究團隊的首選方案。

拖攬連接在VALS 裝置的短翼處，為Y 型結構，采用聚乙烯材料。

主結構（含起落架）通過調整尾部短翼可以使火箭的發射姿態達到60°或者垂直姿態。VALS 裝置的主結構和起落架都是采用現有飛機方案改裝，VALS 裝置采用抗側翻的設計，最大可承受傾斜角度為59°，遠超過了波音737（側翻角度44°）和一般小型飛機（側翻角度31°）。經過估算，拖曳45.36 噸的火箭，VALS 裝置所需要的重量是1.97 噸，且成本費用僅為滑翔機的二分之一，新飛機的四分之一。同時VALS 裝置還有加強背結構，用于儲存液體運載火箭所需要的液體推進劑。

相比于重力空中發射技術方案，垂直空中發射技術具有以下優點：

飛機人員更安全。飛機和火箭相距數百米，機箭之間用牽引繩連接，一旦火箭發生故障，機組人員可以隨時切斷繩索，確保人員安全；如果發動機故障，可以隨時關閉或者卸載推進劑。

推進劑操作更安全。推進劑分開存儲在VALS 裝置的加強背結構中，在發射之前，可以將推進劑自動加注到運載火箭中，不僅減少了推進劑的揮發量，同時提升了安全性。

▲ 拖曳式垂直空中發射起飛方案

▲ 拖曳式垂直空中發射降落方案

火箭設計更靈活。運載火箭設計不再受到載機約束，可以掛載火箭的最大重量達到90.7 噸，且直徑和長度不受限制，VALS 裝置可以適應固體、液體或者固液混合的不同動力類型的火箭，同時由于VALS 裝置具有承載能力，從而簡化了火箭結構設計。

彈道更優化。VALS 裝置可以提供最佳的發射角度，有利于減小彈道最大動壓和降低姿控能力需求，并提升入軌能力。

發射成本更低。VALS 裝置的成本為滑翔機的二分之一，新研客機的四分之一，且完全可重復使用，在點火和發射過程中不會被損壞，牽引飛機也不需要永久性改裝。

分析與討論

安全性是空射技術最核心的問題。美國開展空射技術研究已有60 多年，卻只有飛馬座獲得了成功，即便算上2021年1月成功入軌的運載器一號，也不過僅有兩型空射火箭。從1968年美國X-15 項目結束后，從來沒有進行過液體火箭的空中發射，就在2007年即將進行快速到達號火箭飛行試驗的前夕，海射火箭“天頂-35L”在浮動發射臺上爆炸，雖然沒有人員傷亡，但還是動搖了當局的決心，導致快速到達號液體火箭空射試驗的終止，也是美國當局始終對空射技術的推進較為緩慢的主要原因。所以，空中發射技術最核心的關鍵是安全性。

▲ 垂直空射撬（VALS）各方向視圖

外掛式液體動力安全性有所突破。采用垂直空中發射技術（VAL）是為了規避內裝液體推進劑的安全隱患，然而2021年維珍軌道公司的液體火箭運載器一號成功實施了空中發射，不同于快速到達號火箭，運載器一號的動力系統采用了液氧煤油推進劑，機箭匹配方式為外掛式方案，盡管還不能完全解決內裝式的安全性問題，但也突破了1968年以來液體運載火箭實施空中發射的空白，也說明美國在液體推進劑安全性控制和降低推進劑高空蒸發量等方面的技術已經有所突破。

拖曳式空射技術已進入驗證階段。基于運輸機的空中發射技術經過2003-2006年間的喧囂后似乎就銷聲匿跡，漸漸淡出了人們的視線，然而從國外零星的資料來看，空中發射技術的研究并未停止，轉向開展拖曳式空射技術研究：2012年申請了拖曳式垂直空射技術專利，2016年開展了拖曳式垂直空射技術撬裝置1/32 縮比模型的地面試驗及原理性驗證，雖然并沒有公開啟動正式的工程項目，但是隨著技術成熟度的不斷提高，基于運輸機的空射技術項目進入實施階段存在可能性。★