运载火箭空中发射深度剖析

吴柱　余华敏

据俄罗斯卫星网近日报道，中国正在研制一种新型火箭，这种新型运载火箭采用固体燃料能将100千克载重送入近地轨道的火箭，还可以通过中国运20大型战略运输机进行发射。

人们早已习惯看到运载火箭从发射台上拔地而起的镜头，从飞机上发射火箭多少有点让人惊讶。实际上，近年来，作为新兴航空航天技术之一，空中发射运载火箭越来越受到各国高度重视。运载火箭空中发射究竟需要哪些技术？有什么优缺点？目前运用情况怎样？本文我们来—探究竟——

基本原理及分类

运载火箭空中发射技术源于美、苏在20世纪70年代争霸背景下提出的反卫星导弹、战略导弹空基发射设想。这一发射方式主要采取内置式重装空投、内置式重力空射、吊挂式悬吊一系索空投三类方式进行发射。

内置式重装空投

在准备投放阶段，运载火箭平卧在飞机货台上的支架内。一旦接收到投放指令，飞行器将解锁货台与货舱紧固连接装置。保险在牵引伞释放装置的作用下打开，投出牵引伞。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。

内置式重力空射

接到准备发射指令时，飞机就会完成装载工作，处于待发射状态。一旦飞机接到发射指令，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，释放连接到一级发动机喷管外壁的小型稳定伞，并解锁紧固运载火箭的连接装置，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做俯仰運动，尾部向前头部向后，稳定伞会产生适当的阻力，以控制运载火箭所做的俯仰运动，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。

吊挂式悬吊-系索空投

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。

综合比较三种发射技术各有秋千。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；此外，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。运载火箭空中发射技术优势

运载火箭空中发射技术具有三大优点：

经济实惠

飞机可以重复使用和随时起飞，大大增强了航天发射的时效性，而火箭都是一次性使用的。现代航天发射成本高昂最重要的原因就是一次性使用的火箭发动机太贵，空中发射能够让火箭省去一级火箭，大大降低发射成本。航天发射的运载火箭成本，99%都是火箭箭体成本，其中火箭发动机成本占绝大多数，而燃料成本不到1%。一个航天系统里燃料其实是几乎最便宜的部分，贵的都是硬件，其中发动机就是“大头”。可多次使用的发射系统也是为了只烧燃料不扔硬件。采用火箭空中发射技术，火箭每次发射的费用仅仅是从地面发射大小相同的常规火箭的一半。如果按每千克有效载荷的价格计算，用飞机发射卫星的价格只相当于从地面发射的1/3。显而易见，这种新颖的航天发射方式，与地面发射火箭比较起来，更为经济和更具竞争力。

灵活快速

从地面发射的液体燃料火箭准备时间长达数天、数周甚至更久，部分原因在于注入燃料需花费大量时间。相比之下，固体燃料火箭从飞机发射的速度较快，只需12小时准备。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。太空的卫星也会受敌方攻击，通过运输机发射火箭可以机动安全快速的发射卫星上太空补充已被摧毁的卫星。由于火箭可随飞机到处飞，因此，空射运载火箭能随心所欲地选择发射区域，不受地理环境的限制，能克服发射范围及天气限制等问题，能够克服战时火箭发射场可能受到被敌方摧毁的威胁，有效增加发射窗口宽度。

节能环保高效

使用的飞机在现有大型机场跑道上即可起飞，完成释放火箭任务后又可在同一轨道上进行降落，省去了专用的火箭发射台，避免了地面污染和环境噪声。从空中发射，载机相当于运载火箭的基础级，能提高运载火箭本身的运载能力，同对等的从地面发射的运载火箭相比，运载能力几乎可以提高一倍。把飞机作为整个发射系统的第一级，飞机的速度可使运载火箭的性能提高1%～2%，空中发射时发射高度上的气压只有海平面的25%。这样，运载火箭的喷管就比较好设计，不必权衡从海平面到接近真空的工作环境的变化。另外，在高空发射运载火箭时不仅结构和热应力低，而且动压也低，这对发射很有利。在有效载荷一定时，高空发射运载火箭所需要的总的速度可以降低10%～15%。

劣势与难点

横向运动速度不够快

运载火箭能够入轨，难点不在于飞得高，而在于飞的快，至少达到第一宇宙速度，即7.9km/s。因此，提高火箭的横向运动速度，而非垂直高度，才是一次发射中的关键中的关键。不考虑火箭推进的试验机，如今飞的最高最快的量产型喷气式飞机是美国的SR-71“黑鸟”侦察机和苏联/俄罗斯用来克制它的米格-25/31截击机，均可在最高3万米以3倍声速大约1000米/秒的速度进行飞行。且不说能扛一个火箭的飞机还能不能飞这么快，即使能，这个速度还是远低于7900米/秒的第一宇宙速度，这并不能给火箭省多少力。此外，因为火箭的形状本身不产生升力，脱离飞机后还必须分出一些推力向下喷来防止自己再掉下去，而垂直发射的火箭到达这个高度的时候已经有足够的向上速度矢量。

可靠性还需进一步改进

航天发射拼技术，更拼可靠性，把一个火箭系统的可靠性从99%提升到99.5%花的钱可以再造好多个可靠性达99%的火箭。而对于一次性的火箭和可重复使用的飞机，可靠性这个词定义是完全不同的。单就发动机来说，火箭的工作时间只有几十秒到几分钟，只要在这段时间内不会出错，这个火箭发动机就是可靠的。SpaceX的“猎鹰”火箭最早的喷口冷却是靠在内部加一层材料，这层材料过热了就会逐片脱落，从而保护整个发动机。而航空喷气式发动机上需要考虑的却多得多，不仅仅是长时间工作，还需要多次冷起动，热起动。

运载、分离难度高

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。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。

控制运载火箭的空中姿态和制导难度大

运载火箭分离后，必须逐步调整姿态，只有在正确的方向才能进行发动机点火，所涉及的技术难度非常高。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。

国外火箭空中发射技系统概况

美国

“飞马座”系列

“飞马座”采用外挂式安装、投放发射方式。火箭最初从租用的美国空军B-52飞机上发射，1992年5月，轨道科学公司购买了一架L-1011运输机专门用作火箭的发射载机，并对其进行了改进。“飞马座”包括标准型和xL加长型两个型号，标准型200千米近地轨道运载能力为375千克，XL加长型相同轨道运载能力为443千克。其中，“飞马座”XL为有翼的三级固体运载火箭，翼展6.7米，火箭起飞质量约23.1吨，全长16.9米，直径1.27米。“飛马座”1990年首飞成功，截至2013年已完成42次商业发射。根据对2000年前共70颗卫星的发射情况统计分析，“飞马座”系列运载火箭有效载荷的任务用户包括美国国防部、美国国家航空航天局和轨道科学公司。有效载荷可分为4类，包括31颗低轨道通信卫星、18颗技术实验小型卫星、16颗军方或政府用小型卫星、5颗小型商业卫星。“飞马座”系列运载火箭服役期间的最高年发射次数为6次，发射价格约1400万美元。

“快速到达”运载火箭

“快速到达”空射运载火箭采用机舱内安装、投放发射方式，其发射载机采用不经改造的C-17A运输机，投放高度为9000米，投放速度马赫数为0.6。投放时，依靠火箭自身重力作用和伞的牵引作用实现机箭分离。目前已经完成了阶段性的设计工作，主要包括火箭原型设计、多次火箭发动机点火试验、级间分离试验等，2005-2006年已完成32.7吨、35吨等3次空中投放试验，表明未经改装的C-17运输机均可用于空射小型运载火箭，投放系统的通用性和可靠性都非常高。

“平流层发射”运载火箭及载机

“平流层发射”空射运载火箭的概念由美国平流层发射系统公司提出，轨道科学公司研制。该运载火箭借鉴“飞马座”的研制经验，进一步加大了运载能力，并采用外挂式安装、投放发射方式，载机为超大双体运输机ROC，飞行中运载火箭挂载在两个机身之间。运载火箭为四级固体火箭，近地轨道运载能力6.8吨。根据公开报道，载机将在2016年进行首次试飞，预计2018年进行空中发射首次演示验证。

俄罗斯

俄罗斯也很早就开始研究运载火箭空中发射技术，这种发射系统由1架改装的安-124-100AL飞机、1枚两级运载火箭和1个上面级组成，待飞机爬升到11千米的高空后，再释放运载火箭，随即后者点火逐级工作，完成发射程序。目前俄罗斯正与印尼合作推动一个名为“空中发射”的项目。其具体内容是，俄大型运输机飞临印尼的比亚克岛上空，飞机内的轻型运载火箭离开机舱后点火升空，将卫星送入预定轨道。2013年5月1日，俄罗斯预研基金会称计划于2020年实施“空中发射”方案，载机为安-225飞机。

日本

日本的M-V空射运载火箭方案由日本宇宙航空科学研究所提出，M-V火箭采用“背驮式”装载在波音747上，当速度达到约马赫数0.7，高度为10000米时脱离载机。M-V为带翼三级固体火箭，全箭长17.25米，翼展6.6米，总质量51.9吨。“空中发射系统技术”是日本政府资助的空中发射小型运载火箭项目，近地轨道运载能力为100～200千克，其载机可采用美国C-130运输机等，火箭采用内装式。

乌克兰

1994年，乌克兰开始研究以伊尔-76TD发射起飞重量为18.5吨、运载能力为200千克的空射固体运载火箭。1996年至1997年，乌克兰研究以安-124为载机，以SS-24二、三级为基础的“鹰”空射固体运载火箭，还在研究用高能燃料的改进型空射固体运载火箭。“鹰”运载器将从安-124-100运输机上投放，完成运输机的研制和改进费用为1亿美元。“天顶”2的空射型号“黎明”更大，它由安225投放，低地轨道运载能力可以高达8000千克，而“鹰”将具有1000千克类似轨道的有效载荷能力。

瑞士

瑞士太空系统公司公布了一项研制可重复使用的小型卫星发射系统的计划，预计2017年进行首次飞行。该发射系统能够从“空客”A300机顶空射一个可重复使用的类似于升力体的运载火箭，然后再依次释放一个一次性的第三级段。发射系统是以法国达索公司的机载可重复使用“高超声速飞行器”（VEHRA）概念为基础研制。瑞士太空系统公司将利用这个发射系统将质量250千克的有效载荷送入低地球轨道。该系统计划于2017年发射，目前该公司已与马来西亚太空发射场签订了协议。

发展趋势

运载火箭空中发射是美、俄等航天强国竞相发展的重要方向。美、俄均非常重视空间进入保障能力建设，纷纷建立完善的具有一定机动能力、可以快速发射的空间服务系统。其中，美国在“飞马座”火箭已经十分成熟和“快速到达”火箭内装式空投分离关键技术已突破的基础上，通过“平流层发射”火箭和ALASA项目，将空射运载火箭的构型范围进一步拓展，从而实现微、小、中、大的全面覆盖。

运载火箭空中发射代表了军事装备的新需求。“飞马座”、“快速到达”和ALASA项目分别成为运载火箭在使用灵活性、快速响应性以及低成本上的新标志。比如“飞马座”实现了从美国7个靶场进行起飞发射；“快速到达”拟实现在紧急情况下24小时内完成16次发射的快速响应需求；ALASA项目通过选取新型推进剂和两级共用发动机设计降低系统复杂度和成本，如果试验成功，将使每次发射成本不超过100万美元。

运载火箭空中系统转向专门定制火箭。“飞马座”火箭购买了一架L-1011运输机专门用作火箭的发射载机，并对其进行了改进。但随着火箭技术的日趋成熟，为了进一步降低载荷发射成本，“快速到达”火箭和ALASA项目都采用了不需改进的载机平台，从而实现在任何位置、时间发射载荷，火箭则可根据小型载荷进行专门设计。

编辑：戴嘉琦