美国空基发射技术发展分析

李探奇 曾宏刚 廖孟豪 田傲

摘要：通过对美国近70年来空基发射技术发展历程进行研究，分别从空射弹道导弹、空射运载火箭、空射飞行器三个方向总结了空基发射技术的发展现状与技术特点。从应用场景与发射成本角度出发，分析了空射弹道导弹、空射运载火箭、空射飞行器三种应用方式的发展前景与关键问题。分析了不同类型载机平台的特点，以及新研双机身载机平台的优势。最后，对我国未来空基发射技术的发展提出建议。

关键词：空基发射；弹道导弹；运载火箭；飞行器；载机平台；双机身

中图分类号：V219文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2022.02.001

从20世纪50年代的空射弹道导弹到近日成功试飞的空射亚轨道载人飞行器，美国空基发射技术经历了近70年的发展历程，探索了空射弹道导弹、空射运载火箭、空射飞行器等多种技术方案。空基发射系统具有以下优势：（1）发射位置与残骸落区可以灵活选择，轨道适应性强，战场生存力强；（2）可规避不良气象条件，具备发射环境优势；（3）可以利用载机的初速度与高度，提高发射效能；（4）喷管扩张比更大，有利于提高发动机比冲。同时，空基发射系统还具有以下不足：（1）载机限制了发射物的尺寸与质量；（2）加装了载机挂载系统，复杂程度增加；（3）低温燃料消耗较大；（4）需要附加点火前姿态控制；（5）火箭空中运输与投放的安全问题突出[1]。发展空基发射技术是空天融合发展的重要方向。

本文分析了空射弹道导弹、空射运载火箭、空射飞行器等空基发射技术的发展情况，总结了发展前景与技术特点，并结合我国情况提出了一些发展建议。

1美国空基发射技术的发展情况

美国空基发射技术起源于冷战时期的空射弹道导弹，作为战略打击体系中的一部分，后应用于空射运载火箭、发射卫星领域；同时，空基发射技术被广泛用于空射火箭飞机、高超声速飞行器和亚轨道飞行器等。

1.1空射弹道导弹

美国空射弹道导弹项目主要有20世纪50年代末使用B-47轰炸机空射“Bold Orion”弹道导弹项目、采用B-58轰炸机空射“High Virgo”单级弹道导弹项目[2]、“天空闪电”导弹项目、60年代的近程攻击导弹（导弹产品代号AGM-69A）项目、70年代采用C-5运输机空射“民兵1”洲际弹道导弹项目等。其中，“Bold Orion”“High Virgo”“天空闪电”空射“民兵1”洲际弹道导弹（见图1）等项目在进行了数次试射后止步于验证阶段，AGM-69A项目于1972年正式服役，但考虑到核战斗部的安全性，该导弹从1990年退出警戒状态，转入库存状态。美国多种空射弹道导弹指标见表1。

通过以上一系列研发项目，美国验证了空射弹道导弹的技术可行性，甚至使用“Bold Orion”和“High Virgo”导弹在调整弹道后完成了反卫星试验。但弹道导弹核潜艇、机动式导弹发射车、空射巡航导弹服役后，复杂而昂贵的空射弹道导弹系统逐渐被取代[3]。近年来，空射弹道导弹技术只以空射靶弹的形式存在，美国联合以色列开展了如ALTAIR、SRALT、LRALT、E-LRALT等空射靶弹试射，联合进行反导系统试验。

1.2空射运载火箭

20世纪80年代以后，美国开展了多个空基发射运载火箭项目，其中代表有采用NB-52载机和L1011载机发射的“飞马座”火箭、C-17A运输机发射的“快速抵达”火箭、F-15战斗机发射的ALASA火箭以及波音747飞機发射的“运载器1号”火箭。美国多种空射运载火箭指标见表2。

目前，“飞马座”火箭仍然处于运营之中，“运载器1号”火箭（见图2）正在试验试飞中，但由于火箭体量较小，载荷多为小型试验性卫星，同时由于发射成本管理不佳，发射量较小。“快速抵达”项目以及ALASA项目则由于燃料安全性、项目计划变更、经费等原因停止。

1.3空射飞行器

美国空射飞行器具有悠久的历史，类型也相对复杂，其中包括X-1、X-15、X-24等有人驾驶火箭飞机，X-7、X-34等无人技术验证飞行器，X-43、X-51[6]不可重复使用的高超声速飞行器，还包括“太空船2号”等亚轨道飞行器，在此统称为空射飞行器。先后取得了突破声障、验证冲压发动机、突破载人飞机最大速度与最大飞行高度纪录、验证升力体布局、验证嵌入式大气传感器与无动力自主着陆技术等众多技术成果。近期，“太空船2号”实现的载人亚轨道旅行更是引起了巨大的轰动。“白骑士2号”载机与“太空船2号”飞船如图3所示。

火箭发动机具有工作时间短、燃料消耗量大等特点，通过载机挂载飞行器起飞，极大地节约了空射飞行器的能量，降低了设计难度与研发成本，提高了硬件可重复使用比例。空中发射技术为高速飞行器的发展，特别是高超声速飞行器领域的技术攻关与验证发挥了不可替代的作用。

2美国空基发射系统的发展分析

2.1空基发射技术对不同任务的适用性不同

现有的打击体系已经发展得相对完善，空射弹道导弹技术缺少独特的作战场景。空射弹道导弹在发射载体机动能力和载荷能力等方面具有一定的优势，但空射巡航导弹、潜射和车载弹道导弹等已经形成了完整的打击体系，空射弹道导弹技术不具备颠覆性的性能或者成本优势，因此未大规模投入应用。

空射运载火箭技术发展远景被多方看好，但具体实现需要持续验证。空基发射可以利用载机速度与高度对火箭赋能，同等载荷条件下助推器质量降低了30%～40%，乃至更多[7]，甚至可以减少一级发动机，进而具有降低发射成本的潜能。同时，发射时间与发射点选择灵活也是空射运载火箭重要的竞争力之一。但由于需要使用载机平台，产生了载机折旧、改装、维护成本，最终能否实现低成本发射取决于技术水平、发射数量等多种因素。已有的“飞马座”与“运载器1号”空基发射项目成本管理不佳，并未显现出明显的成本优势。在“猎鹰9号”等一级可复用火箭的竞争下，要想通过空基发射实现更低发射成本的目标，还需要付出更多的努力。几种火箭运载能力与发射成本见表3。

空基发射技术将在高速，特别是高超声速飞行器发展领域占据主导地位，发展前景广阔。采用空基发射模式可以极大地减少高速飞行器所需的助推器质量，同时提高高速飞行器的巡航航程，减少地面发射场的需求，便于高速飞行器的试验验证的开展。历史上，X-15、X-34、X-43、X-51等高超声速验证机全部采用空基发射的方式。近年来，制造了世界上翼展最大飞机的平流层发射公司，也将公司发展方向由空射运载火箭调整为空射火箭动力高超声速飞行器。预计未来，将有大量高速飞行器验证试验采用空基发射方式进行。平流层发射公司载机与高超声速飞机如图4所示。

2.2载机来源由改装到新研

在美国众多空基发射项目中，所使用的载机可以分为两类。第一类为采用现有飞机平台进行改装，绝大部分空基发射项目都采用了这种模式；第二类为新研专用平台，其代表载机为维珍银河的“白骑士2号”载机和平流层发射公司的“巨鸟”载机[9]。

采用现有飞机平台，改装后执行空基发射任务，成本相对较小，降低了空基发射类项目的研发门槛。但常规飞机设计构型不利于挂载单个大型载荷，无法充分发挥出载机的性能，制约了空基发射的发展。

采用运输机类飞机执行空射任务时，货舱尺寸对载荷构成严重限制，弹道导弹和运载火箭等旋成体构型可以装载进货舱，但翼展较大的飞行器难以装载。同时，根据分离安全性要求，空射载荷在投放过程中如果遇到卡滞的情况，不应使全机重心后移超过升降舵配平能力的限制。由于以上限制因素的存在，运输机难以发挥其最大运载能力。在美国“快速抵达”项目中，最大装载质量达77t的C-17载机（见图5），实际最大空射能力仅为32t。

轰炸机或者大型客机也可以改装成为空基发射平台，采用外挂式挂载空射载荷。该模式则需要考虑挂载空间、挂载物是否会对飞机擦地角形成约束、挂点结构最大承载、挂载对全机重心影响、挂载物气动特性等因素。如美国轨道科学公司采用了最大起飞质量200t的L-1011三发大型客机空射“飞马座”XL火箭（见图6），火箭最大直径仅为1.27m，最大质量仅23t，载机利用效率较低[10]。

采用新研专用平台可以获得较大的性能优势。平流层发射公司和维珍银河公司均选择了新研双机身构型飞机作为载机，空射载荷挂载于机翼中段下方，提供了良好的几何相容性。同时，大展弦比平直机翼提供了良好的气动特性，提高了载荷能力。例如，美国维珍银河公司研制的“白骑士2号”双机身载机平台，仅仅使用了4台单发推力30.7kN的发动机，即实现了最大挂载13.6t、最大升限21000m、载荷投放高度不低于14000m、最大过载6的指标。而平流层发射公司的“巨鸟”载机设计指标达到了最大空射质量230t以上，同量级的常规构型飞机则无法达到以上指标。

2.3商业资本为空基发射提供了巨大支持

在美国空基发射领域发展的前期，相关项目主要由美国空军、美国国家航空航天局（NASA）、美国国防预先研究计划局（DARPA）等军方或者政府性部门牵头主导，由波音、洛马、北美航空等大型防务公司承研。项目推进过程中产生了一系列研发成果，但最终多停留于研发验证阶段，转化为实用成果的较少。美国空基发射领域研发单位与成果关系如图7所示。

近年来，随着商业资本的进入，美国空基发射技术快速发展，发展目标也从纯军事用途转变为军民协同发展。新的运营机制与设计力量的引入为空基发射领域增添了活力，取得了众多成果：将“飞马座”固体火箭投入运营，成功发射40余次，成功率超过90%；空射“运载器1号”液体火箭发射入轨了多枚试验性卫星；两次试飞了平流层发射公司的“巨鸟”飞机；多次载人试飞了“太空船2号”亚轨道飞行器，拓展了亚轨道旅行的新领域。

3我国空基发射领域发展建议

（1）加强需求分析，有针对性的发展

根据对美国多年来发展空基发射系统历程的分析，空基发射技术是未来的重要发展方向，但应该针对发射任务场景进行深入研究，判断空基发射技术是否适用。特别是深入进行发射成本和发射需求研究，系统地分析采用空基发射模式对发射成本的影响，以及空基发射适用的任务场景的多少，然后有針对性地发展空基发射技术。

（2）发展新型双机身载机平台

与美国相比，我国现有的大型飞机平台种类较少，载荷能力较小，载机构型对载荷的尺寸构成了一定的限制，难以挂载具有较大翼展和较高垂直尾翼的空射飞行器，一定程度上制约了我国未来飞行器的发展。因此，我国应根据空射飞行器的发展需要和构型特点，专项发展专用的大型双机身载机平台，有针对性地进行优化设计，提高性能指标，为发展空射飞行器技术提供有力的支撑。

在发展过程中，可以大量采用现有大飞机平台的成熟技术和成品件，降低研发采购成本。

（3）创新运用领域，多领域协同发展

我国发展空基发射相关技术与产业，不应照搬美国发展经验，但可以借鉴美国发展思路。根据我国国情，引入民营资本，创新运用领域，实现空基发射及相关技术的多领域协同发展是值得借鉴的重要方向。

例如，我国可成立公司负责新型双机身飞行平臺运营，可以利用其挂载空间大、载荷大等特点，执行挂飞试验、特种装备运输等任务，填补我国在相关领域的空白。

4结束语

本文梳理了美国近70年来空基发射技术的发展历程，归纳总结了其中特点与发展趋势。分析表明，美国空基发射技术的发展虽然经历了一些坎坷，遇到了很多的竞争，但也支撑了大量科研验证项目，取得了大量发展成果。鉴于目前高超声速飞行器技术发展迅速与激烈竞争，我国应重视相关空基发射技术的发展，特别是载机平台的发展，研制专用的高性能载机平台，弥补我国空射大型平台的不足，同时尝试创新运营与管理机制，借鉴美国的经验，吸取美国的教训，早日实现我国的跨越式发展。

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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