空射火箭：有待实践检验的理念

文/ 王佳

所谓空射运载火箭，就是把火箭装在飞机上，到一定高度后脱离载机，自己点火飞行。专业上对这种发射方式的称呼是水平起飞航天发射，这与常见的从塔架上起飞的运载火箭形成了对比，后者被称作垂直起飞航天发射。

▲ “运载器一号”要从飞机上下落一段距离才点火

空射火箭简史

用飞机发射火箭推进的物体并不是新生事物。在过去几十年的时间里，空军用攻击机发射火箭弹攻击地面目标是常见的战术。但是要把一个东西发射到地球轨道上，达到每秒7800 米的第一宇宙速度，就完全是另外一回事了。世界上第一种射入太空的空射火箭并不是用来发射卫星的，而是打卫星。1984 年，一架美国空军的 F15 战斗机携带ASAT 反卫星导弹从地面升空，把这枚导弹射进太空，击毁了一颗作为目标的卫星。到上世纪90 年代，美国轨道科学公司开发出了世界上第一种投入业务使用的空射运载火箭“飞马座”。这种火箭如今还在使用，但企业已经被诺斯罗普-格鲁曼公司收购。俄罗斯也曾经展出一种空射运载火箭，它的第一级甚至能够在发射结束后自己返回地面，但是这种型号并没有投入研制。

▲ “运载器一号”升空

在卫星尚没有充分小型化的时代，小型空射火箭能够揽到的业务也很少，所以“飞马座”到目前为止，一共只发射了40 多次小卫星。微小卫星的技术迅速发展，引发了对小火箭的研发热潮，但是这股热潮起初并没有延伸到空射火箭上。其中的原因也很容易想见，只有具备了足够的航空基础，特别是大载重的飞机，有大型、空闲的机场，广阔的空域才能开展空射火箭的飞行，这一点目前仅美国和俄罗斯可以做到。不过小卫星发射需求的日益旺盛，让不少美国航天创业者心动不已，推出了一些方案，在这当中也有两个水平起飞空射火箭方案。两个方案采用了完全不同的技术路径，平流层发射公司采用了全新研制双体飞机、火箭吊在中间的设计。维珍轨道公司采用了购买现成单体大型飞机，火箭吊在一侧机翼下的方式。

▲ 飞马座火箭发射

到目前为止，这两家公司的发展一进一退。平流层公司因为创始人离世而陷入危机，被迫转型。维珍轨道公司在2020 年发射失败，2021 年年初才刚刚取得第一次成功。所以空射火箭到底能不能适应小卫星大发展的市场，还是一个有待实践检验的理念。

▲ 挂在“宇宙少女号”机翼下的“运载器一号”

▲ 挂在机翼下的飞马座空射火箭

▲ 检测中的飞马座空射火箭

空射火箭的局限性与优点

“飞马座”和“发射器一号”有个相同的问题，那就是火箭尺寸受限。这两种火箭都是挂装在飞机翅膀下面的。大家知道民航飞机一般采用下单翼，也就是机翼连接在机身下方、穿过行李舱，这样可以把较为舒适的机身上半部分留给乘客。而吊在机翼下的发动机也距离乘客比较远，噪音比较小。但是这也带来了机翼离地比较近的问题，只能挂装小直径的火箭。

那么可以用军用运输机吗？军用运输机一般采用上单翼，不分乘客舱和行李舱，机身里面是一个完整的筒状空间。机翼连接在机身上部，这样可以把发动机吊得尽量高一些，在野战机场起降时不容易吸进沙石。听起来这很适合挂装火箭，而且美国俄罗斯都有不少退役的大型运输机可以拿来用。然而军用飞机和民用飞机在航空管理上有很大的区别，军用运输机的噪声、无线电设备、对维修维护的要求、操作方式，都和民航飞机区别很大。而且因为设计理念不同，军用运输机的使用成本要比民航飞机高得多，并不适合商业公司拿来发射火箭。

在这种困难之下，开发一种专门的火箭发射飞机似乎是很合理的。这就是平流层发射公司的初心。然而因为公司创始人、亿万富翁保罗·埃伦因病去世，平流层发射公司失去了最主要的支持，一度陷入了破产的边缘。经过债务重组，如今的平流层发射公司已经不再把航天发射作为主要业务方向。在这家公司发布的官方消息中，巨大的六引擎平流层发射飞机已经被介绍成了高超音速试验平台。这与美国近期高度重视高超音速技术发展，特别是高度重视高超音速导弹研制有直接关系。

空射火箭的优点并不仅仅是高度和速度。大气的密度是从下向上递减的，从地面起飞的火箭在最初的几千米高度内，要把很大一部分燃料消耗在克服稠密大气上。火箭喷气的效率也会受到大气压力的影响，高压时膨胀过度低压时膨胀不足，带来了推力损失。飞机的喷气发动机可以通过调节喷管尾部形状来适应这种气压变化，火箭发动机上却没有空间容纳复杂的调节机构，但是空射火箭可以不考虑低空高气压的影响，直接针对高空低气压做优化设计就可以了。

▲ 平流层发射如今已经定位在高超音速试验平台

▲ 平流层飞机曾被设计为同时挂载三枚飞马座火箭

在从地面起飞到火箭点火高度的这段时间里，载机和空射火箭作为一个整体，推进比也更高一些。航空发动机是不需要携带氧化剂的，所以能够实现的比冲比火箭发动机高得多。一般来说，民航机的涡轮风扇发动机，比冲高达3000 秒，而马斯克的灰背隼发动机海平面比冲只有300～400 秒。而且因为火箭是在大气层内与载机分离的，火箭的第一级同样可以采用吸气式发动机，例如比较成熟的冲压发动机，甚至是研制中的超燃冲压发动机，进一步提高比冲。

空射火箭的缺点

说了这么多的优点，空射运载火箭也有无法克服的缺点。我们用钢铁侠马斯克本人的话来阐述好了。

马斯克虽然一度和平流层发射公司有合作的意向，但是在猎鹰9 号火箭进入成熟期之后，他对空中发射表达了否定的意思。他在一次访谈节目中表示：“看起来空中发射把火箭带到了高空，达到了0.7～0.8 倍音速，还可以在喷管上实现更理想的膨胀比，但是这能在多大程度上改善入轨能力呢？答案是不够令人满意的，改进的幅度非常小，大概是5%，而且需要一架大型飞机才能做到这一点。从我的角度来看，是制造一架巨型飞机更划算，还是把火箭本身放大5%更划算？当然是第二个！”

▲ 维珍轨道公司的火箭工厂

▲ 早期的飞马座火箭，由B-52 轰炸机空中发射

马斯克还指出了空射运载火箭的另一个问题：火箭从飞机上脱离的时候是水平发射出去的，但入轨需要向上飞行，必须设法改变速度矢量的方向，所以飞马座火箭装了一对巨大的三角翼，这不仅占用了结构重量，在转向时也会带来不可忽视的能量损失。对于锱铢必较的航天发射来说，这些损失也不算少。如果载机能在垂直爬升的过程中把火箭甩出去，是最理想的。然而大型飞机是很难做到垂直爬升的，无论波音747还是平流层发射平台都做不出这么激烈的动作来。★

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那些停留在图纸上的空射火箭

苏联/俄罗斯其实也有很好的空射火箭研发基础，但直到上世纪80 年代才开始研发这种技术。1988年，苏联提出了MAKS 计划，意思是多用途航空航天系统。这可不是什么小火箭，而是一种起飞重量275吨的大家伙，运载能力达到7吨。用来发射它的平台是平流层发射出现之前世界上最大的飞机安-225。MAKS的上面级是可以重复使用的，能够天地往返10 次。这个宏大的构想没能实现，1991 年苏联刚一解体就下马了，2010 年俄罗斯曾经考虑复活MAKS，但是并没有下文。

其实还有几个没能搞下去的空射火箭项目，其中包括用平流层平台发射的“飞马座”，“猎鹰9 号”空射版，XCOR 宇航公司的“猞猁3”等型号。另外美国宇航局和欧空局也各有一个非营利的空射火箭项目。

拖曳式滑翔机空中发射系统

拖曳式滑翔机空中发射系统（TGALS）是美国宇航局设计的两级空气发射可重复使用发射系统，由阿姆斯特朗飞行研究中心开发。该系统使用滑翔机、牵引机和火箭，设计用于将小型卫星送入轨道，滑翔机和牵引机都可重复使用。

该系统的独特之处在于，它是从滑翔机上发射的。

该系统由三个大部件组成：牵引飞机、滑翔机和火箭。牵引飞机是一种传统的小型飞机，它将滑翔机带到大约12000 米的高度。滑翔机携带了混合动力或固体火箭发动机，点燃发动机后滑翔到比牵引飞机更高的位置。在火箭烧尽后，滑翔机将释放系统的第三级（完全由火箭驱动），把有效载荷送入近地轨道。

美国宇航局的构想旨在创造一个平台，可以发射质量是滑翔机15 倍的火箭，而其他空中发射可重复使用火箭只能发射0.7 倍于载机的火箭。这种系统的优点是滑翔机不带发动机，机翼更长、更轻，因此总质量更低，美国宇航局曾在一份报告中讨论了这种系统的优点：

TGALS 发射平台的概念证明，与传统空中发射平台相比，其在成本、物流效率和性能方面具有明显的优势。

滑翔机采用双体飞机，火箭悬挂在滑翔机机翼中心部分下方。从牵引机上释放后，滑翔机自己的小型火箭发动机将燃烧约20 秒，以保持爬升时的速度，以70 度角滑行然后释放火箭。

2014 年10 月21 日，双机身滑翔机1/3 比例模型的首次试飞取得成功。

按照2015 年时的计划，后续要从三分之一比例的滑翔机上释放一枚小型无动力火箭，然后在滑翔机上安装一枚小型火箭发动机，以测试火箭助推滑翔机设计的可行性。然后建造一个全尺寸平台，但该计划并无下文。

毕宿五火箭项目

“毕宿五”是由西班牙国家工业技术开发署、法国宇航局和德国航空航天中心联合提出的空射微型卫星运载火箭试验台，用于将300 千克载荷送入近地轨道。

该项目始于2007 年，旨在为欧洲研制一种微型运载火箭，填补阿里安5、联盟号和织女星火箭的空白，用来发射微小卫星。有关企业提出了几个备选方案：

MLA

由阿斯特里姆公司和达索航空公司联合开发，用战斗机来发射一种多级运载火箭，能够根据配置将50～70 千克或150 千克的重量送入近地轨道。法国军方也表示，他们对一种类似于美国ORS 火箭的概念感兴趣。

和民航飞机相比，战斗机速度快、机动性好、姿态灵活，能够实现最佳的高度、速度和飞行轨迹，火箭可以不装气动控制面。战斗机还可以做空中加油，对机场要求比较低，如果发射中止，还能自行返回机场。

但是因为战斗机体积比较小，机翼到地面的距离也不大，因此所能发射的运载火箭的质量和体积能力受到很大限制。

MLA-D

阿斯特里姆提出的型号，长6.5 米，直径0.9 米，重4 吨。第一级将由一个3 吨重的固体火箭发动机和矢量喷管组成。上一级为一台液体燃料发动机，可以携带600 千克燃料，可以用达索阵风或者欧洲台风战斗机发射。

MLA 三体船

达索航空提出的捆绑式三级火箭，一级火箭带有两个捆绑式的助推器。这种火箭要挂在阵风战斗机的下方升空。它的重量已经接近了阵风的最大外挂能力，所以发射能力比较强，可以把150 千克载荷送入低轨道。

典型的任务剖面是这样的：战斗机以马赫数0.7 的速度将火箭带到12 千米高空，并以最佳角度释放。分离4 秒后，助推器点火工作42 秒，火箭达到36 千米高度、马赫数6.5。助推器分离后，第二级在78.5 千米高空、4.5 千米/秒速度时点火。整流罩分离后，第三级在250 千米高度，火箭将以7.9 千米/秒的速度继续飞行359 秒，进入800 千米高的圆轨道。

上述方案都停留在纸面上，没有投入工程研制。