美國空基發(fā)射技術(shù)發(fā)展分析

李探奇 曾宏剛 廖孟豪 田傲

摘要：通過對美國近70年來空基發(fā)射技術(shù)發(fā)展歷程進行研究，分別從空射彈道導(dǎo)彈、空射運載火箭、空射飛行器三個方向總結(jié)了空基發(fā)射技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)特點。從應(yīng)用場景與發(fā)射成本角度出發(fā)，分析了空射彈道導(dǎo)彈、空射運載火箭、空射飛行器三種應(yīng)用方式的發(fā)展前景與關(guān)鍵問題。分析了不同類型載機平臺的特點，以及新研雙機身載機平臺的優(yōu)勢。最后，對我國未來空基發(fā)射技術(shù)的發(fā)展提出建議。

關(guān)鍵詞：空基發(fā)射；彈道導(dǎo)彈；運載火箭；飛行器；載機平臺；雙機身

中圖分類號：V219文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2022.02.001

從20世紀50年代的空射彈道導(dǎo)彈到近日成功試飛的空射亞軌道載人飛行器，美國空基發(fā)射技術(shù)經(jīng)歷了近70年的發(fā)展歷程，探索了空射彈道導(dǎo)彈、空射運載火箭、空射飛行器等多種技術(shù)方案。空基發(fā)射系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：（1）發(fā)射位置與殘骸落區(qū)可以靈活選擇，軌道適應(yīng)性強，戰(zhàn)場生存力強；（2）可規(guī)避不良氣象條件，具備發(fā)射環(huán)境優(yōu)勢；（3）可以利用載機的初速度與高度，提高發(fā)射效能；（4）噴管擴張比更大，有利于提高發(fā)動機比沖。同時，空基發(fā)射系統(tǒng)還具有以下不足：（1）載機限制了發(fā)射物的尺寸與質(zhì)量；（2）加裝了載機掛載系統(tǒng)，復(fù)雜程度增加；（3）低溫燃料消耗較大；（4）需要附加點火前姿態(tài)控制；（5）火箭空中運輸與投放的安全問題突出[1]。發(fā)展空基發(fā)射技術(shù)是空天融合發(fā)展的重要方向。

本文分析了空射彈道導(dǎo)彈、空射運載火箭、空射飛行器等空基發(fā)射技術(shù)的發(fā)展情況，總結(jié)了發(fā)展前景與技術(shù)特點，并結(jié)合我國情況提出了一些發(fā)展建議。

1美國空基發(fā)射技術(shù)的發(fā)展情況

美國空基發(fā)射技術(shù)起源于冷戰(zhàn)時期的空射彈道導(dǎo)彈，作為戰(zhàn)略打擊體系中的一部分，后應(yīng)用于空射運載火箭、發(fā)射衛(wèi)星領(lǐng)域；同時，空基發(fā)射技術(shù)被廣泛用于空射火箭飛機、高超聲速飛行器和亞軌道飛行器等。

1.1空射彈道導(dǎo)彈

美國空射彈道導(dǎo)彈項目主要有20世紀50年代末使用B-47轟炸機空射“Bold Orion”彈道導(dǎo)彈項目、采用B-58轟炸機空射“High Virgo”單級彈道導(dǎo)彈項目[2]、“天空閃電”導(dǎo)彈項目、60年代的近程攻擊導(dǎo)彈（導(dǎo)彈產(chǎn)品代號AGM-69A）項目、70年代采用C-5運輸機空射“民兵1”洲際彈道導(dǎo)彈項目等。其中，“Bold Orion”“High Virgo”“天空閃電”空射“民兵1”洲際彈道導(dǎo)彈（見圖1）等項目在進行了數(shù)次試射后止步于驗證階段，AGM-69A項目于1972年正式服役，但考慮到核戰(zhàn)斗部的安全性，該導(dǎo)彈從1990年退出警戒狀態(tài)，轉(zhuǎn)入庫存狀態(tài)。美國多種空射彈道導(dǎo)彈指標見表1。

通過以上一系列研發(fā)項目，美國驗證了空射彈道導(dǎo)彈的技術(shù)可行性，甚至使用“Bold Orion”和“High Virgo”導(dǎo)彈在調(diào)整彈道后完成了反衛(wèi)星試驗。但彈道導(dǎo)彈核潛艇、機動式導(dǎo)彈發(fā)射車、空射巡航導(dǎo)彈服役后，復(fù)雜而昂貴的空射彈道導(dǎo)彈系統(tǒng)逐漸被取代[3]。近年來，空射彈道導(dǎo)彈技術(shù)只以空射靶彈的形式存在，美國聯(lián)合以色列開展了如ALTAIR、SRALT、LRALT、E-LRALT等空射靶彈試射，聯(lián)合進行反導(dǎo)系統(tǒng)試驗。

1.2空射運載火箭

20世紀80年代以后，美國開展了多個空基發(fā)射運載火箭項目，其中代表有采用NB-52載機和L1011載機發(fā)射的“飛馬座”火箭、C-17A運輸機發(fā)射的“快速抵達”火箭、F-15戰(zhàn)斗機發(fā)射的ALASA火箭以及波音747飛機發(fā)射的“運載器1號”火箭。美國多種空射運載火箭指標見表2。

目前，“飛馬座”火箭仍然處于運營之中，“運載器1號”火箭（見圖2）正在試驗試飛中，但由于火箭體量較小，載荷多為小型試驗性衛(wèi)星，同時由于發(fā)射成本管理不佳，發(fā)射量較小。“快速抵達”項目以及ALASA項目則由于燃料安全性、項目計劃變更、經(jīng)費等原因停止。

1.3空射飛行器

美國空射飛行器具有悠久的歷史，類型也相對復(fù)雜，其中包括X-1、X-15、X-24等有人駕駛火箭飛機，X-7、X-34等無人技術(shù)驗證飛行器，X-43、X-51[6]不可重復(fù)使用的高超聲速飛行器，還包括“太空船2號”等亞軌道飛行器，在此統(tǒng)稱為空射飛行器。先后取得了突破聲障、驗證沖壓發(fā)動機、突破載人飛機最大速度與最大飛行高度紀錄、驗證升力體布局、驗證嵌入式大氣傳感器與無動力自主著陸技術(shù)等眾多技術(shù)成果。近期，“太空船2號”實現(xiàn)的載人亞軌道旅行更是引起了巨大的轟動。“白騎士2號”載機與“太空船2號”飛船如圖3所示。

火箭發(fā)動機具有工作時間短、燃料消耗量大等特點，通過載機掛載飛行器起飛，極大地節(jié)約了空射飛行器的能量，降低了設(shè)計難度與研發(fā)成本，提高了硬件可重復(fù)使用比例。空中發(fā)射技術(shù)為高速飛行器的發(fā)展，特別是高超聲速飛行器領(lǐng)域的技術(shù)攻關(guān)與驗證發(fā)揮了不可替代的作用。

2美國空基發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)展分析

2.1空基發(fā)射技術(shù)對不同任務(wù)的適用性不同

現(xiàn)有的打擊體系已經(jīng)發(fā)展得相對完善，空射彈道導(dǎo)彈技術(shù)缺少獨特的作戰(zhàn)場景。空射彈道導(dǎo)彈在發(fā)射載體機動能力和載荷能力等方面具有一定的優(yōu)勢，但空射巡航導(dǎo)彈、潛射和車載彈道導(dǎo)彈等已經(jīng)形成了完整的打擊體系，空射彈道導(dǎo)彈技術(shù)不具備顛覆性的性能或者成本優(yōu)勢，因此未大規(guī)模投入應(yīng)用。

空射運載火箭技術(shù)發(fā)展遠景被多方看好，但具體實現(xiàn)需要持續(xù)驗證。空基發(fā)射可以利用載機速度與高度對火箭賦能，同等載荷條件下助推器質(zhì)量降低了30%～40%，乃至更多[7]，甚至可以減少一級發(fā)動機，進而具有降低發(fā)射成本的潛能。同時，發(fā)射時間與發(fā)射點選擇靈活也是空射運載火箭重要的競爭力之一。但由于需要使用載機平臺，產(chǎn)生了載機折舊、改裝、維護成本，最終能否實現(xiàn)低成本發(fā)射取決于技術(shù)水平、發(fā)射數(shù)量等多種因素。已有的“飛馬座”與“運載器1號”空基發(fā)射項目成本管理不佳，并未顯現(xiàn)出明顯的成本優(yōu)勢。在“獵鷹9號”等一級可復(fù)用火箭的競爭下，要想通過空基發(fā)射實現(xiàn)更低發(fā)射成本的目標，還需要付出更多的努力。幾種火箭運載能力與發(fā)射成本見表3。

空基發(fā)射技術(shù)將在高速，特別是高超聲速飛行器發(fā)展領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，發(fā)展前景廣闊。采用空基發(fā)射模式可以極大地減少高速飛行器所需的助推器質(zhì)量，同時提高高速飛行器的巡航航程，減少地面發(fā)射場的需求，便于高速飛行器的試驗驗證的開展。歷史上，X-15、X-34、X-43、X-51等高超聲速驗證機全部采用空基發(fā)射的方式。近年來，制造了世界上翼展最大飛機的平流層發(fā)射公司，也將公司發(fā)展方向由空射運載火箭調(diào)整為空射火箭動力高超聲速飛行器。預(yù)計未來，將有大量高速飛行器驗證試驗采用空基發(fā)射方式進行。平流層發(fā)射公司載機與高超聲速飛機如圖4所示。

2.2載機來源由改裝到新研

在美國眾多空基發(fā)射項目中，所使用的載機可以分為兩類。第一類為采用現(xiàn)有飛機平臺進行改裝，絕大部分空基發(fā)射項目都采用了這種模式；第二類為新研專用平臺，其代表載機為維珍銀河的“白騎士2號”載機和平流層發(fā)射公司的“巨鳥”載機[9]。

采用現(xiàn)有飛機平臺，改裝后執(zhí)行空基發(fā)射任務(wù)，成本相對較小，降低了空基發(fā)射類項目的研發(fā)門檻。但常規(guī)飛機設(shè)計構(gòu)型不利于掛載單個大型載荷，無法充分發(fā)揮出載機的性能，制約了空基發(fā)射的發(fā)展。

采用運輸機類飛機執(zhí)行空射任務(wù)時，貨艙尺寸對載荷構(gòu)成嚴重限制，彈道導(dǎo)彈和運載火箭等旋成體構(gòu)型可以裝載進貨艙，但翼展較大的飛行器難以裝載。同時，根據(jù)分離安全性要求，空射載荷在投放過程中如果遇到卡滯的情況，不應(yīng)使全機重心后移超過升降舵配平能力的限制。由于以上限制因素的存在，運輸機難以發(fā)揮其最大運載能力。在美國“快速抵達”項目中，最大裝載質(zhì)量達77t的C-17載機（見圖5），實際最大空射能力僅為32t。

轟炸機或者大型客機也可以改裝成為空基發(fā)射平臺，采用外掛式掛載空射載荷。該模式則需要考慮掛載空間、掛載物是否會對飛機擦地角形成約束、掛點結(jié)構(gòu)最大承載、掛載對全機重心影響、掛載物氣動特性等因素。如美國軌道科學(xué)公司采用了最大起飛質(zhì)量200t的L-1011三發(fā)大型客機空射“飛馬座”XL火箭（見圖6），火箭最大直徑僅為1.27m，最大質(zhì)量僅23t，載機利用效率較低[10]。

采用新研專用平臺可以獲得較大的性能優(yōu)勢。平流層發(fā)射公司和維珍銀河公司均選擇了新研雙機身構(gòu)型飛機作為載機，空射載荷掛載于機翼中段下方，提供了良好的幾何相容性。同時，大展弦比平直機翼提供了良好的氣動特性，提高了載荷能力。例如，美國維珍銀河公司研制的“白騎士2號”雙機身載機平臺，僅僅使用了4臺單發(fā)推力30.7kN的發(fā)動機，即實現(xiàn)了最大掛載13.6t、最大升限21000m、載荷投放高度不低于14000m、最大過載6的指標。而平流層發(fā)射公司的“巨鳥”載機設(shè)計指標達到了最大空射質(zhì)量230t以上，同量級的常規(guī)構(gòu)型飛機則無法達到以上指標。

2.3商業(yè)資本為空基發(fā)射提供了巨大支持

在美國空基發(fā)射領(lǐng)域發(fā)展的前期，相關(guān)項目主要由美國空軍、美國國家航空航天局（NASA）、美國國防預(yù)先研究計劃局（DARPA）等軍方或者政府性部門牽頭主導(dǎo)，由波音、洛馬、北美航空等大型防務(wù)公司承研。項目推進過程中產(chǎn)生了一系列研發(fā)成果，但最終多停留于研發(fā)驗證階段，轉(zhuǎn)化為實用成果的較少。美國空基發(fā)射領(lǐng)域研發(fā)單位與成果關(guān)系如圖7所示。

近年來，隨著商業(yè)資本的進入，美國空基發(fā)射技術(shù)快速發(fā)展，發(fā)展目標也從純軍事用途轉(zhuǎn)變?yōu)檐娒駞f(xié)同發(fā)展。新的運營機制與設(shè)計力量的引入為空基發(fā)射領(lǐng)域增添了活力，取得了眾多成果：將“飛馬座”固體火箭投入運營，成功發(fā)射40余次，成功率超過90%；空射“運載器1號”液體火箭發(fā)射入軌了多枚試驗性衛(wèi)星；兩次試飛了平流層發(fā)射公司的“巨鳥”飛機；多次載人試飛了“太空船2號”亞軌道飛行器，拓展了亞軌道旅行的新領(lǐng)域。

3我國空基發(fā)射領(lǐng)域發(fā)展建議

（1）加強需求分析，有針對性的發(fā)展

根據(jù)對美國多年來發(fā)展空基發(fā)射系統(tǒng)歷程的分析，空基發(fā)射技術(shù)是未來的重要發(fā)展方向，但應(yīng)該針對發(fā)射任務(wù)場景進行深入研究，判斷空基發(fā)射技術(shù)是否適用。特別是深入進行發(fā)射成本和發(fā)射需求研究，系統(tǒng)地分析采用空基發(fā)射模式對發(fā)射成本的影響，以及空基發(fā)射適用的任務(wù)場景的多少，然后有針對性地發(fā)展空基發(fā)射技術(shù)。

（2）發(fā)展新型雙機身載機平臺

與美國相比，我國現(xiàn)有的大型飛機平臺種類較少，載荷能力較小，載機構(gòu)型對載荷的尺寸構(gòu)成了一定的限制，難以掛載具有較大翼展和較高垂直尾翼的空射飛行器，一定程度上制約了我國未來飛行器的發(fā)展。因此，我國應(yīng)根據(jù)空射飛行器的發(fā)展需要和構(gòu)型特點，專項發(fā)展專用的大型雙機身載機平臺，有針對性地進行優(yōu)化設(shè)計，提高性能指標，為發(fā)展空射飛行器技術(shù)提供有力的支撐。

在發(fā)展過程中，可以大量采用現(xiàn)有大飛機平臺的成熟技術(shù)和成品件，降低研發(fā)采購成本。

（3）創(chuàng)新運用領(lǐng)域，多領(lǐng)域協(xié)同發(fā)展

我國發(fā)展空基發(fā)射相關(guān)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)，不應(yīng)照搬美國發(fā)展經(jīng)驗，但可以借鑒美國發(fā)展思路。根據(jù)我國國情，引入民營資本，創(chuàng)新運用領(lǐng)域，實現(xiàn)空基發(fā)射及相關(guān)技術(shù)的多領(lǐng)域協(xié)同發(fā)展是值得借鑒的重要方向。

例如，我國可成立公司負責(zé)新型雙機身飛行平臺運營，可以利用其掛載空間大、載荷大等特點，執(zhí)行掛飛試驗、特種裝備運輸?shù)热蝿?wù)，填補我國在相關(guān)領(lǐng)域的空白。

4結(jié)束語

本文梳理了美國近70年來空基發(fā)射技術(shù)的發(fā)展歷程，歸納總結(jié)了其中特點與發(fā)展趨勢。分析表明，美國空基發(fā)射技術(shù)的發(fā)展雖然經(jīng)歷了一些坎坷，遇到了很多的競爭，但也支撐了大量科研驗證項目，取得了大量發(fā)展成果。鑒于目前高超聲速飛行器技術(shù)發(fā)展迅速與激烈競爭，我國應(yīng)重視相關(guān)空基發(fā)射技術(shù)的發(fā)展，特別是載機平臺的發(fā)展，研制專用的高性能載機平臺，彌補我國空射大型平臺的不足，同時嘗試創(chuàng)新運營與管理機制，借鑒美國的經(jīng)驗，吸取美國的教訓(xùn)，早日實現(xiàn)我國的跨越式發(fā)展。

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Analysis of U.S. Space-Based Launch Technology Development

Li Tanqi，Zeng Honggang，Liao Menhao，Tian Ao

Chinese Aeronautical Establishment，Beijing 100029，China

Abstract： Through the research on the development history of space-based launch technology in the United States in the past 70 years， the development status and technical characteristics of space-based launch technology are summarized from three directions： air-launched ballistic missiles， air-launched carrier rockets， and air-launched vehicles. From the perspective of application scenarios and launch costs， the development prospects and key issues of the three application methods of air-launched ballistic missiles， air-launched carrier rockets， and air-launched vehicles are analyzed. The characteristics of different types of aircraft platforms and the advantages of the newly developed dual-fuselage aircraft platforms are analyzed. Finally， suggestions are made for the development of Chinas future space-based launch technology.

Key Words： space-based launch； ballistic missile； launch vehicle； aircraft； carrier platform； dual fuselage

Received： 2021-10-21；Revised： 2021-11-15；Accepted： 2021-12-28