飞行器空基发射运载火箭技术研究

涂良辉，杨 昆，王 英，王 直，温智翔，张方成

（中航工业洪都, 江西 南昌330024）

0 引 言

传统火箭发射方式是在固定的发射场发射，发射地点、发射窗口等受到很多限制。 而采用飞行器空中发射运载火箭则可以在任意的空域、 任意的时间发射，具有自主性、机动性、灵活性、快速响应和部署等优点，是一种比在地面发射火箭更便宜、简单的方法。 目前，作为新兴航空航天技术，飞行器空基发射运载火箭越来越受到各国高度重视。

本文综述了国外飞行器空基发射运载火箭的现状， 对飞行器空基发射运载火箭的技术及其难点进行了梳理， 并分析了飞行器空基发射运载火箭的力学问题。

1 国外空基发射运载火箭现状

1.1 美国

美国于上世纪80年代末，放弃了部分的原有大型军事计划， 开始研制具有一定经济意义的民用项目，如图1 为轨道科学公司的L-1011 运输机空射固体小型运载火箭“飞马座”。 运载火箭“飞马座”采用的吊挂式水平投放发射技术已经过了多次成功发射，“飞马座” 是迄今为止世界上唯一投入商业运营的空射运载火箭。 “飞马座”运载火箭的成功发射，打开了飞行器空基发射技术实用化的成功之门。

图1 轨道科学公司的L-1011 运输机空射“飞马座”运载火箭

1.2 前苏联/俄罗斯

苏联解体前， 南方设计局曾设想设计一种采用以安-124CK 为载机、运载火箭为固体燃料火箭发动机、 两种改进的控制装置和一个整流罩配套而成的空射运载火箭系统， 该项目由于前苏联解体而没有最终完成。 原来研发洲际导弹的设计局在前苏联解体后相继提出了许多运载火箭方案， 其中包含了空基发射方案， 但都由于高额的研发费用和巨大的空基发射技术难题而被搁置。 俄罗斯致力于改变其没有实用化空基发射运载火箭的状况，在1999年提出全力研发“飞行”号空基发射运载系统（如图2），并改装了空中载机安-124 运输机和建立了空射航天中心。 “飞行”号的发射费用明显低于地面发射，具有极强的竞争力。

图2 “飞行”号空基发射运载系统示意

2 空基发射运载火箭优势

运载火箭的发射有多种多样， 其中按发射基点主要分为陆基发射和空基发射两种。

2.1 陆基发射运载火箭

陆基发射是以陆地作为运载火箭发射基点的发射方式。 陆基发射运载火箭虽然具有技术成熟和使用难度低的优点，但是还存在以下问题：

1）对地面发射基础设施依赖性强；

2）发射准备时间长；

3）发射窗口少；

4）运载火箭燃料、能量消耗大；

5）发射费用昂贵。鉴于上述问题， 各国工程师们开始重点研究空基发射等其他更加灵活的发射方式。

2.2 空基发射运载火箭

空基发射运载火箭是指以飞行器(大型货运飞机、军用运输机、战略轰炸机或是某些特种航空器)为平台将运载火箭携带到高空后释放分离， 获得正确姿态后，运载火箭发动机点火并进入空间轨道。

按照运载火箭在飞行器上的装载方式， 空基发射运载火箭的方式主要分为背驼式、 吊挂式、 内置式、 拖曳式、 空中加油式和气球或飞艇空中发射六种。 其中吊挂式是目前最为成熟的空基运载火箭发射方式， 气球或飞艇空中发射方式仅处于概念设想阶段。

高空发射运载火箭方式可以有效消除或减轻陆基发射的种种不足，具有很多独特优势：

1）对地面发射基础设施依赖性低

地面发射需要庞大基础设施， 精心规划排定整个发射流程，充分考虑发射场及落区的安全性。 空基运载火箭可以在空中进行发射， 因此对地面基础设施依赖度很低。

2）缩短发射准备时间

由于飞行器空基发射运载火箭不需要原有的地面发射准备过程，因此可以大幅缩短发射准备时间。

3）发射条件灵活

由于实现了高空发射， 因此气象条件带来的影响远小于常规地面发射方式， 而且可以做到随时需要随时发射。

4）减少发射燃料

飞行器给运载火箭提供了一定的初始速度和高度，可节省运载火箭的推进剂消耗，减少发射燃料。

5）大幅度降低发射费用

飞行器可以在一般机场起降， 不需要建设庞大的地面配套设施，大为缩减了人员数量，从而大大降低了发射费用，空中发射火箭具有很好的经济性。

3 空基发射运载火箭技术及其难点

3.1 空基发射运载火箭技术

1）内置式重装空投技术

在准备投放阶段， 运载火箭平卧在货台上的支架内。 一旦接收到授权投放指令，飞行器将解锁货台与货舱紧固连接装置。 保险在牵引伞释放机构的作用下打开，投出牵引伞。 均匀张开连接到货台上的两具牵引伞， 这时货台在巨大牵引力作用下被拖着沿导轨从尾舱门加速滑出，随之张开三具减速主伞；当下降到一定高度时， 运载火箭的姿态将被调整到接近垂直位置， 爆炸螺栓将环抱运载火箭的连接装置立即切断，运载火箭分离，一级发动机随即点火，在推力作用下运载火箭开始爬升。

2）内置式重力空射技术

发射前，飞行器在某一高度巡航飞行。 接到准备发射指令时，飞行器就会完成装载工作，处于待发射状态。 一旦飞行器收到授权发射指令，就会打开尾舱门，并调整斜面舱门使其保持在水平状态。 紧接着机头上仰一定角度飞行， 把连接到一级发动机喷管外壁的小型稳定伞释放出来， 并解锁紧固运载火箭的连接装置， 这样运载火箭在重力的作用下将会沿着发射托架的传送轮胎快速滑动， 几秒钟后运载火箭从飞行器舱门中滑出。 运载火箭的尾部先落下，在重力作用下运载火箭会绕重心作俯仰运动， 尾部向前头部向后， 稳定伞会产生适当的阻力来达到控制运载火箭所作的俯仰运动的目的， 使其以较低俯仰角速率运动；当运载火箭处于接近垂直位置时，稳定伞的伞绳将被切断，一级发动机点火，在推力矢量控制系统的作用下运载火箭保持稳定状态， 并按预定运载火箭轨迹飞行。

3）吊挂式悬吊-系索空投技术

运载火箭外挂在飞行器的机腹下， 运载火箭的重心处有一个挂载连接点， 其头部也有一个系索连接点。 发射前， 空中载机携带运载火箭爬升到一定高度， 保持水平巡航飞行， 连接到一级发动机喷管外壁的小型稳定伞会先展开， 紧接着解锁断开连接运载火箭重心处的挂载装置， 运载火箭尾部先于头部落下， 连接头部的系索经过一个短暂的延时后再断开， 运载火箭在重力的作用下会产生俯仰力矩， 接下来的过程与重力空射技术的这个阶段完全一样。

4）三种发射技术的比较

“教材无非是个例子”。教材中出现的“生活主题”“生活场景”大多不是学生现实生活中原汁原味的生活场景。因此，教师应充分挖掘学生的生活，调动学生的已有经历，从熟悉的事物、场景入手，让呈现内容能触及学生的内心，形成感动体验，达成价值目标。

内置式重装空投技术要实现运载火箭的牵引出舱和减速降落， 需要使用技术难度高且复杂的降落伞系统， 货台/支架同时掉落将会给地面带来安全隐患； 特别是内置式重装空投技术损失了运载火箭的初始高度和速度， 在一定程度上抵消了空基发射技术的优点。 而重力空射技术可以有效地避免以上缺点，是一种最简单、安全、可靠和高效的空基发射技术。 悬吊-系索空投技术则利用延时和重力作用，使投放的运载火箭在飞行器后方实现了穿越， 具有简单、安全、可靠、高效和经济等优势。

3.2 空基发射运载火箭难点

1）运载难度高

装载具有较大尺寸和重力的运载火箭， 对飞行器的承载能力要求很高， 同时也要仔细考虑飞行器与运载火箭的匹配性。 这不仅要求具备大型飞行器，还须具有改装飞行器和运载火箭的能力。 运载火箭装载后，由于其运载火箭体积和重量都较大，会在很大程度上限制载机的飞行灵活性。 特别是当运载火箭外挂在飞行器上时， 将对飞行器的承载能力要求更高。

2）投放分离难度大

飞行器飞行速度越快，投放高度越高，运载火箭具有的初始速度就会越高，所需要的燃料也就越少。但是飞行器速度高、运载火箭重量大，这不仅要求飞行器具有较高的承载能力， 而且大型运载火箭在投放后，又会突然减轻飞行器的重量，使飞行器处于失控的危险状态中。

3）控制运载火箭的空中姿态难度大

运载火箭分离后，必须逐步调整它的姿态，只有在正确的方向才能实现发动机点火， 这个过程涉及的技术难度非常高。

4）制导难度大，研发费用高昂

陆基发射的发射点坐标经过精确测量， 而空基发射的运载火箭属于动基座， 要掌握动基座下惯性系统的初始对准技术具有很高的难度。 空基发射运载火箭时，由于飞行器发射点的坐标无法精确确定，使得运载火箭进入发射前的定位信息无法准确获取， 是飞行器空基发射运载火箭难于陆基发射的重要因素。

4 空基发射运载火箭受力分析

目前飞行器空基发射运载火箭主要是利用重力的影响，再辅以小型稳定伞来调整运载火箭姿态，以便达到合适的点火姿态。 运载火箭从飞行器上分离，无论是采用内置式重力空射技术还是吊挂式悬吊-系索空投技术， 二者都用小型稳定伞来辅助调整运载火箭的姿态。 小型稳定伞的受力分析如图3 所示。

图3 小型稳定伞的受力分析

由一般运载火箭结构和重量分布可知， 运载火箭后半部充满燃料， 所以运载火箭的重心位置靠近其尾部。

小型稳定伞的作用点一般位于运载火箭尾部的某一点，令其与运载火箭轴线距离为Zp，距离重心为Xp，根据阻力产生的原理，小型稳定伞产生的阻力可表示为F=CDSAq，其中F 为伞的载荷，q 为动压，CD为伞阻力系数，SA为伞面积。 小型稳定伞产生的伞阻力可分解为运载火箭在三个体轴上受到的力和力矩，见式（1）。

进一步将小型稳定伞引起的六个力与力矩分量转化为无量纲系数的形式，表达式如式(2)所示。

由上式可知， 小型稳定伞对运载火箭在俯仰和偏航方向都能产生一定的力矩作用， 考虑到实际情况中，运载火箭除了受垂直方向的空气阻力，还可能受偏航方向的气流影响， 故稳定伞对运载火箭进一步的运动起到了很好的调节作用， 有助于运载火箭更好的达到所需要的姿态。

运载火箭在空中运动， 受沿运载火箭分布的空气阻力扰动（如图4）。重心前后两部分的空气阻力作用力分别对重心取力矩，易知f1·x1＞f2·x2，故运载火箭尾部有向下摆动的力矩。 由于伞阻力F 的作用，使得原本难以控制的摆动状态， 通过小型稳定伞来控制运载火箭尾部向下摆动幅度的大小， 使运载火箭处于一个稳定可靠的状态。

图4 运载火箭的空气阻力扰动示意

最终运载火箭在小型稳定伞力矩的辅助作用下，逐渐达到稳定状态，在进行微调之后，抛去小型稳定伞，点火发射，实现了飞行器空基发射运载火箭的目的，如图5 所示。

图5 运载火箭逐渐达调整到点火姿态

5 结 语

与陆基相比， 飞行器空基发射运载火箭由于不需要原有的地面发射装置和准备过程， 可以有效地降低发射成本并大幅缩短发射准备时间； 由于实现了高空发射， 因此受气象条件影响远小于常规地面发射方式，可以做到随时需要随时发射。 鉴于上述优点， 飞行器空基发射运载火箭技术已经得到了各航空航天大国的高度重视， 了解和掌握该技术具有重要的军民两用价值。

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