新型空中发射平台及未来发展趋势

刘 宁，渠弘毅，高 崇，张利鹏

新型空中发射平台及未来发展趋势

刘 宁，渠弘毅，高 崇，张利鹏

（北京航天长征飞行器研究所，北京，100076）

在商业航天推动下，空中发射平台发展迅速。为了解空中发射平台的最新进展，详细介绍了机载发射平台、航天飞机发射平台、气球发射平台等空中发射平台的研发现状，总结了空中发射平台呈现出的新特点，分析了空中发射平台面临的挑战，得出了空中发射平台将低成本化、快速化和智能化的发展趋势。

空中发射平台；商业航天；发展趋势

0 引 言

空中发射平台利用大型飞机等航空器将运载火箭、导弹等飞行器运送到高空后释放，飞行器点火，实现发射。空中发射会提供一定的初始高度和速度，有利于飞行器整体性能提升。另外，与陆地发射平台、海上发射平台相比，空中发射平台对地面设施设备依赖少、反应迅速、灵活机动，因此很早就受到了美国、俄罗斯等航天强国的关注，是美国、俄罗斯等航天强国竞相发展的重要方向[1,2]。

空中发射技术最先被德国采用，二战末期德国研制了利用Do-217轰炸机装载投掷的两型导弹；20世纪70年代，美国、苏联提出了反卫导弹和战略导弹空基发射的设想；20世纪80年代末，空中发射技术开始应用于运载火箭领域。美国轨道公司成功研制了飞马座火箭，该火箭是迄今为止世界上第1个也是唯一现役的商业运营空射运载火箭，至今已完成42次商业发射，将80余颗卫星送入近地轨道。美国还提出了“快速到达”（Quick Reach）、“空中发射辅助太空进入”（ALASA）等空射运载项目。俄罗斯装备了最新型空基发射导弹匕首，并正在进行飞行号空射运载火箭的研究[3]。

近年来，商用或科研用小卫星发射需求不断增加，航天大国间空间对抗不断加剧，战场快速感知能力建设不断加强，均对廉价、快速、灵活的空中发射平台提出了需求[2]。各类新型空中发射平台应运而生，并呈现多样化的特点。平流层发射公司研发超大双体运输机进行运载火箭空中发射。美国国防预先研究计划局（DAPRA）积极推动XS-1项目，利用太空飞机实现小卫星的快速重复发射。西班牙零之无穷公司（Zero 2 Infinity lnc.）和美国狮子座宇航公司（Leo Aerospace lnc.）计划利用气球取代飞机进行火箭空中发射。亚马逊公司研究使用连接在空中飞机编队上的一根数千米长的鞭子将飞行器发射到空中。

1 新型空中发射平台

1.1 机载发射平台

机载发射平台是最重要也是最成熟的空中发射平台。在新型机载发射平台中，“平流层发射”公司空中发射平台具有较强代表性。

平流层发射公司由保罗·艾伦创建，旨在研发革命性的空中发射载机和运载火箭，以实现卫星的高频次灵活发射。该公司研制了大型双体飞机作为空中发射平台。该型双体飞机是目前世界上最大的飞机，翼展达到117 m。飞机结构全部采用复合材料，以增大射程和提高运载能力。飞机采用6台波音747发动机，最大起飞质量可达到589 t，有效载荷约2270 kN，巡航高度10 668 m，飞行时长可达10 h。2019年4月13日，平流层发射公司实现了双体飞机的首次试飞，飞机共飞行了2.5 h，最大飞行高度4570 m。

平流层发射公司目前将重点放在载机（见图1）研制上，首先计划利用载机实现飞马座运载火箭的空中发射。载机一次飞行可携带3枚飞马座火箭，单枚火箭可携带3700 N有效载荷。

图1 平流层发射载机

1.2 航天飞机发射平台

航天飞机可以理解为广义上的空中发射平台。DARPA在2013年启动了航天飞机试验项目（XSP，早期称为XP-1，见图2）。XSP项目旨在研发一款采用完全可重复使用的航天飞机，垂直起飞、水平着陆，充当火箭一子级将中小载荷卫星送入低轨。快速和廉价是XSP项目的最大特点，要求航天飞机10天可以完成10次发射，单次发射成本不超过500万美金。

图2 XSP航天飞机

XSP项目共分为3个阶段：第1阶段进行初始设计和风险控制；第2阶段进行最终设计、制造、装配和测试；第3阶段进行试飞。2017年波音成功进入第2、第3阶段研制。不过在2020年1月，波音宣布退出XSP项目，XSP项目终止。

XSP项目虽然终止，但是积累了大量核心技术。2018年波音公司顺利完成了大型氢氧发动机（AR-22）10天内重复热试车10次的考核试验；完成了复合材料低温油箱的制造，该油箱较传统金属材料低温油箱减重近40%。这些技术将为未来研制完全可重复使用航天飞机提供有力支撑。

1.3 气球发射平台

气球发射平台早在20世纪50年代，便在探空火箭上取得应用。近年来，随着商业航天的兴起，气球发射平台因其相对低廉的价格，再次获得青睐，多家公司开始研制气球发射平台，其中具有代表性的公司是西班牙的零之无穷公司和美国的狮子座宇航公司。

零之无穷公司研制了一款名为Blooster的气球辅助空中发射火箭，如图3所示。Blooster由氦气球携带至22 km高空后与气球分离，然后点火完成发射。Blooster由三级火箭构成，采用液氧/甲烷发动机，可以把100 kg卫星送至600 km太阳同步轨道。2017年 3月1日，Blooster进行了首飞，成功实现一级火箭的分离、点火和海上回收。目前，零之无穷公司的高空气球技术已逐步成熟，成功进行了多次飞行试验，该公司以气球为平台，推出了卫星系统测试、平流层观测等多项服务。

图3 Blooster发射平台示意

狮子座宇航公司是美国洛杉矶新成立的创业公司，该公司正在研发“Regulus”高空发射系统，如图4所示。该系统利用巨型热气球将10 m长的三级火箭携带至18 km高空后进行火箭发射。该火箭可将570 N的有效载荷运送至550 km的太阳同步轨道。该发射系统配备4台双向推力器进行偏航和滚转控制，配备6台推力器进行升降控制。该系统完全可重复使用，仅需较少的维护，便可快速进行再次发射。

图4 Regulus高空发射系统示意

1.4 其他新型发射平台

2020年2月11日，美国发布了亚马逊公司的一个发射系统专利，如图5所示。该发射系统使用连接在无人机编队上的一根数千米长的鞭子将物体发射到空中，甚至将其送入太空轨道。连接在长鞭上的无人机按照程序编队移动，以超声速的速度挥舞鞭子，将长鞭上的有效载荷发射。将包裹放置在无人机上，利用长度较短的鞭子可实现包裹的投掷，该专利同样考虑了利用长鞭发射卫星载荷。

图5 亚马逊发射系统示意

2 空中发射平台的新特点

商业航天是新型空中发射平台发展的主要推动力。近年来，商业航天发展迅速，在美国，以SpaceX为代表的一批企业已经占据了航天产业的主要领域。空中发射小型运载火箭成为了众多民营航天公司的选择。首先，空中发射无需建设复杂的地面设施，发射灵活，前期投入相对较低；然后，空中发射可以大幅减小气动阻力，提高飞行效率，获得更优的费效比；另外，小型运输火箭的技术难度相对较低，有助于快速切入航天发射服务市场。商业航天公司的涌入，为空中发射平台的发展注入新的活力。

新平台层出不穷。虽然在20世纪50年代火箭气球取得了应用，但是在随后的几十年里，无论是空射导弹还是空射运载火箭，几乎全部采用机载。商业航天的兴起，在空中发射平台利于形成新业态。商业航天公司追求更低的成本和更高的利润，根据差异化需求形成了特色化发展路径，催生了众多新型空中发射平台。近年来材料、动力、控制等学科的巨大进步也为新平台的研发提供了支撑。

3 空中发射平台面临的挑战

空中发射平台面临着可回收陆基/海基运载火箭的激烈竞争。以SpaceX的猎鹰9为代表的可回收中/重型运载火箭，单次发射可实现数十枚微小卫星的入轨，通过回收一级、二级进一步降低成本，单颗卫星的发射成本非常低。虽然空射火箭的发射成本较陆基/海基运载火箭低，但是空射火箭运载多为小型火箭，运载能力有限，单次发射仅能携带1颗或几颗微小型卫星，单颗卫星的发射成本相对较高，空射火箭相对于可回收运载火箭在价格方面并无优势。

运载火箭的发射系统属于大型复杂系统，涉及专业众多，技术难度高，使用环境复杂，研制过程易出现波折，失败代价非常高，并且研制周期长。空中发射平台的研制也是如此，需要持续、大量投入，实现盈利周期较长，对于商业航天公司是较大挑战。

4 空中发射平台未来发展趋势

近年来，微小卫星技术发展迅速，发射需求不断增加，例如多家公司瞄准了太空互联网市场，计划在太空中布置大型星座，仅SpaceX的星链项目，就计划发射42 000枚近地轨道通信卫星。在快速增长的微小卫星发射需求下，空中发射平台将迎来快速发展。

空射系统若想在激烈竞争中赢得市场，要么具有价格优势，发展更为廉价的发射平台；要么采用差异化竞争策略，利用更快和更灵活的特点赢得市场。另外，人工智能已经成为最新兴的科学与工程领域之一，将人工智能技术应用于自身的发展已经成为各领域的重要发展趋势[6]。未来空中发射平台必将和人工智能发生更广泛、更深度的融合。

空中发射平台将呈现以下发展趋势：

a）更加廉价。降低发射成本可以有多条技术途径。可以采用气球、飞艇等相对廉价的平台，降低平台建设成本；可以利用回收技术，提高飞行平台的重复使用次数；可以不单独研发专用发射平台，而是借用现有的飞行平台接口进行发射，仅在有飞行任务时对平台进行借用，不影响平台执行原始任务的功能；可以参考“平流层发射”，增加平台运载能力，发射中、重型火箭，降低单位载荷的发射成本。

b）更加快速。在微小卫星发射需求中，有科研性质微小卫星、快速响应微小卫星等，若搭载陆基大型火箭，需要根据主载荷的发射任务进行安排，无法快速实现[4~10]。空中发射可以满足快速响应需求，提供定制化服务，在未来快速响应的特点也将会更加突出。

c）更加智能。现有的空中发射平台已呈现信息化、无人化趋势，在未来，随着人工智能技术的进一步发展，空中发射平台的智能化趋势将更加明显。无人空中发射平台逐步取代有人驾驶平台；平台会具备更强大的感知能力，包括对自认环境的感知、对自身状态的感知；根据感知信息，平台快速处理后会做出最优决策，如根据实时天气状况、载荷状况等信息确定最优飞行路线、最优发射高度和角度、最优回收策略。

5 结束语

本文对空中发射平台开展分析，介绍了一系列新型空中发射平台研发现状，总结了空中发射平台呈现出的新特点，分析了空中发射平台面临的挑战。在此基础上，提出了空中发射平台的未来发展趋势：在商业航天的推动下，空中发射平台发射成本将更为低廉，灵活快速的特点将更为突出，人工智能技术将会对空中发射平台的发展产生影响，智能化也将成为空中发射平台的发展趋势。

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New Air Launch Platform and Future Development Trend

Liu Ning, Qu Hong-yi, Gao Chong, Zhang Li-peng

(Beijing Institute of Space Long March Vehicle, Beijing, 100076)

Driven by commercial aerospace, air launch platforms are developing rapidly. In order to understand the latest progress of air launch platforms, the current development status of air launch platforms such as airborne launch platforms, space shuttle launch platforms, and balloon launch platforms is introduced in detail. The new characteristics of air launch platforms are summarized and the challenges faced by air launch platforms are analyzed. It can beconcluded that air launch platforms will be cheaper, faster, and smarter.

air launch platform; commercial aerospace; development trend

1004-7182(2020)03-0092-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20200317

V19

A

刘 宁（1982-），男，高级工程师，主要研究方向为再入飞行器总体设计、再入飞行器结构设计。

渠弘毅（1986-），男，高级工程师，主要研究方向为再入飞行器总体设计、再入飞行器结构设计。

高 崇（1990-），男，工程师，主要研究方向为再入飞行器总体设计。

张利鹏（1989-），男，工程师，主要研究方向为再入飞行器结构设计。

2020-04-13；

2020-04-19