空中发射技术特点的量化分析

刘 琳，吕 艳，林 崧

(北京宇航系统工程研究所，北京 100076)

0 引言

探索浩瀚宇宙，发展航天事业，建设航天强国，是我们不懈追求的航天梦。运载火箭是人类进入空间的基础运输工具，可以说“运载火箭的能力有多大，航天的舞台就有多大”。运载火箭作为进入空间的重要途径之一，当前存在着发射价格昂贵、准备周期漫长、发射资源短缺等不足，制约着人类探索宇宙空间、发展天基文明的步伐。进入后疫情时代，航天发射的热度持续走高。2022年全球发射载荷数量超过2 500个，质量超过1 000 t。以快速响应、机动灵活为特征的空中发射运载火箭技术在快速应急响应发射，以及未来的商业航天领域有着广阔的发展空间。

1 空射火箭技术优势与挑战

空射运载火箭是利用载机将运载火箭携带至离地面一定高度的空中进行发射的运载火箭，空射运载火箭与地面发射运载火箭相比，具有“机动、快速、灵活”的特点，是微小型航天器进入空间的重要途径。

1.1 空射火箭技术优势

1)地面支持要求低，可实现全球发射。空射运载火箭理论上不受固定发射地点的限制，可在载机航程范围内任意点实施发射。目前，飞马座XL空射火箭已经从美国、欧洲和马绍尔群岛的5个独立发射场发射；运载器一号空射火箭已经在美国和英国两个地点发射。空射火箭的设计目标都是实现任意点发射的移动发射系统。图1为运载器一号空射火箭在执行发射任务。

图1 运载器一号空射火箭在英国执行发射任务Fig.1 Mission of Launcher One rocket in the UK

2)提供最快的响应能力，一旦接到发射命令时可快速发射。飞马座XL火箭最近的一次发射证明了这一点，在合同授予后不到4个月的时间完成了运载火箭的设计、集成和测试。启动发射程序后，仅用10 min左右的时间就将卫星送入预定轨道。

3)更小的起飞质量和更大的运载能力。空中发射可以充分利用载机的飞行高度和飞行速度，同时，在高空工作的固体发动机可获得更高的性能，在相同的起飞质量条件下，比从地面发射具有更大的运载能力。

4)满足单星轨道部署任务需求，星座部署优势显著。各国都将空间快速响应能力作为重点发展领域，为了发展能够保护和增强控制空间的能力，美国FALCON计划将“飞马座”(Pegasus)和“快速抵达”(Quick Reach)空射火箭作为探索方向之一，利用空中发射技术减少卫星发射对地面设施的依赖，提升发射灵活度。飞马座火箭从接到任务到完成发射，准备时间小于14 d，火箭总装后7 d内完成发射，表现出优异的快速响应能力。特别是对于规模星座发射任务，空中发射技术优势更为明显。

1.2 空射火箭面临的挑战

1)采用液体推进剂的运载器一号火箭，氧化剂在地面加注完成后需要历时数十分钟到预定空域投放，需要考虑氧化剂挥发量对飞行任务的影响，长时间飞行还涉及空中燃料补加等需求。

2)面对越来越激烈的成本竞争，属于小型火箭的空射运载火箭降低成本的难度较其他火箭更高，运载器一号火箭最近一次发射就是受低成本元器件质量影响导致发射失败。

3)重复使用是大幅降低火箭发射成本的重要途径。随着可重复使用技术不断成熟，复用技术几乎成为在研火箭的标配方案。但是空射火箭规模较小，使用复用技术会导致运载能力的大幅降低。参考最新公布的超重-星舰的总体参数，其重复使用与一次性使用的运载能力比为1∶1.67，如果换用小型火箭，比例还将进一步降低。对于运载能力本就不大的空射火箭而言，可重复技术如何使用是个具有挑战性的问题。

2 国外空射火箭进展

2.1 飞马座空射火箭

20世纪70年代，为了提高应急发射和机动生存能力，美国启动了“空中机动发射可行性验证”计划，并于20世纪80年代末将该项技术应用于运载火箭领域。

1990年4月5日，飞马座空射火箭采用B-52轰炸机发射升空，开创了商业太空飞行的新时代。飞马座火箭起初由轨道科学公司和赫尔克里斯航空航天公司合资研制，早期采用B-52轰炸机机翼下吊挂方式，1992年后采用L-1011运输机机腹挂载方式。2018年，美国诺·格公司将轨道科学公司收购为其子公司，并进一步以商业方式开展研制、运作并执行后续发射任务。

自首飞后的30多年里，该火箭系列共执行了45次飞行任务，先后在位于美国本土的加利福尼亚州、弗吉尼亚州、佛罗里达州，以及位于美国本土外的加那利群岛和马绍尔群岛的夸贾林环礁的5个不同发射场实施发射任务，共计发射了近百颗卫星。

火箭使用固体推进剂，具备在10 min左右的时间内将450 kg的小型卫星载荷送入近地球轨道的能力，其快速响应能力和发射灵活性一度备受客户青睐，在很长一段时间内，成为世界上价格合理、机动灵活、性能可靠的小型火箭“标准型”，也是空射运载火箭的伟大开拓者。

最近一次发射完成于2021年6月13日，L-1011三星飞机搭载飞马座XL火箭从美国加州范登堡空军基地起飞，于美国东部时间4时11分(北京时间16时11分)由载机投放，成功完成美国太空军“战术快速反应发射”(TacRL)计划下的一项任务代号为TacRL-2的验证性入轨发射任务，将一颗太空态势感知卫星送入预定轨道，如图2所示。该项计划的目的是掌握按需灵活发射的所需技能，在此次任务中，飞马座XL火箭自合同授予后不到4个月内完成了全部的设计、集成和测试。

图2 飞马座XL火箭完成TacRL-2发射任务Fig.2 Pegasus XL rocket completes TacRL-2 mission

2.2 运载器一号空射火箭

进入21世纪以后，随着小卫星技术的不断成熟，拓展了人们对于太空的认知，也加快了人类探索太空的步伐。越来越多的商业航天公司关注到小型卫星发射市场。2011年，理查德·布兰森创立了维珍轨道分支机构，2017年成为独立公司。其旨在创造一个可以在“任何时间、任何地点、任何轨道上发射”的移动发射系统，支持全球范围内不同国家的发射需求以及定制任务，重新定义在太空中灵活响应的含义。

2021年1月17日，美国维珍轨道公司采用运载器一号火箭，搭载波音747-400改进型飞机发射升空，成功将美国国家航空航天局“发射服务项目”的10颗有效载荷送入太空，开拓了更为快速、灵活、可靠地为小卫星提供定制专属服务的新时代。

运载器一号空射火箭使用液体推进剂，具备将500 kg载荷送入中低倾角近地轨道和将300 kg载荷送入太阳同步轨道的运载能力。运载器一号空射火箭共执行6次入轨级发射任务，如图3所示。完成情况为2次失败、4次成功，已经将包括美国军事卫星在内的33颗卫星送入轨道，如表1所示。

图3 运载器一号火箭进行发射准备Fig.3 Launch preparation for Launcher One rocket

表1 运载器一号火箭发射记录

3 空射技术特点的量化分析

3.1 相同运载能力，火箭规模更小

空中发射可以利用飞机提供一定的初始速度和初始高度，在相同的运载能力下，火箭的起飞质量更小。本文以飞马座火箭、运载器一号空射火箭为例开展分析。

3.1.1 飞马座XL火箭地面助推级计算

飞马座XL空射运载火箭起飞质量约为23 130 kg， 全长16.9 m，一子级外径为1.27 m，采用L-1011运输机为投放平台，投放高度为11 887 m，投放速度为242 m/s，典型轨道741 km太阳同步轨道运载能力为221 kg[1]。

如果直接从地面发射，要实现相同的运载能力，则需要增加地面助推级[2]，即采用成熟发动机从地面实施发射，将飞马座XL空射火箭推送至运输机L-1011飞机的投放高度与速度[2]，投放条件如表2所示。其中地面助推级发动机性能参考美国金牛座火箭一子级发动机性能[3]。

表2 飞马座XL地面助推级设计条件

经计算，飞马座XL空射火箭增加地面助推级以后的整体火箭起飞质量约为32.8 t，全箭长度约为22 m，结果如表3所示。采用从地面发射的方式，并且利用在已有空基火箭基础上，直接增加地面助推级的技术方案完成火箭规模计算，此火箭的起飞质量规模较空基发射状态增加约41%。

表3 飞马座XL地面助推级设计结果

3.1.2 运载器一号火箭助推级计算

运载器一号空射火箭起飞质量为25 900 kg，全长为21.34 m，一子级外径为1.8 m，采用波音747改装的“宇宙女孩”作为投放平台，投放高度为10 667 m，投放速度为199.2 m/s，投放倾角27°[4]，如表4所示。

表4 运载器一号地面助推级设计条件

如果直接从地面发射，要实现相同的运载能力，需要增加地面助推级，采用成熟火箭动力，将运载器一号火箭推送至起始高度、速度与倾角状态，设计结果如表5所示。

表5 运载器一号地面助推级设计结果

经计算，运载器一号空射火箭增加地面助推级以后的整体火箭起飞质量约为35.9 t，全箭长度约为24 m，采用从地面发射的方式，并且利用在已有空基火箭基础上，直接增加地面助推级的技术方案完成火箭规模计算，此陆基状态起飞质量规模较空基发射状态增加约38%。

3.2 同等火箭规模，运载能力更高

根据文献[5]，起飞质量为57 t、直径为2 m的四级固体运载火箭，采用海上发射的方式可将有效载荷发射到各种高度和各种倾角的近地球轨道，典型任务为轨道高度200～1 000 km的圆轨道。其标准发射能力为：500 km近地球轨道为620 kg，500 km太阳同步轨道(SSO)为430 kg。

如果采用空基发射方式，发射条件如表6所示，通过飞机等将同等起飞规模的运载火箭携带至高空，在设定的初始高度和速度条件下实施发射，将进一步提升运载能力。

表6 空中发射初始条件

经计算，对于同等起飞规模的运载火箭如果采用空中发射方式(发射纬度40°)，其标准发射能力提升为：500 km近地球轨道(倾角0°)为880 kg，增加41.9%；500 km 太阳同步轨道(倾角97°)为550 kg，增加27.9%，如图4所示。

图4 不同发射方式运载能力对比图Fig.4 Comparison of carrying capacity of different launch methods

3.3 分布式空间系统部署更加便捷灵活

利用空中发射技术，不仅可以实现单星轨道部署优化，还可以应用于分布式空间系统部署。分布式空间系统包括星座、星群以及编队飞行等。典型的星座包括Walker在1970年提出的全球覆盖星座(Walker星座)，其利用几何学原理将各轨道平面平均分布且轨道平面内的卫星均匀分布。

本文以飞马座空射火箭为算例，开展典型Walker星座的部署问题研究。

1)星座算例：Walker星座具有良好的全球覆盖特性，在通信、导航等全球星座系统中得到了广泛应用。Walker星座空间构型由卫星总数T、轨道面个数P以及相位参数F3个特征参数表示。本文以30颗星的Walker-Delta(30/10/1)星座作为算例，每个轨道面3颗卫星，共有10个轨道面(轨道的升交点赤经在360°间均匀分布)，星座构型参数如表7所示。

2)优化算法：采用一箭一星空中发射方式，首先解算完成单条卫星发射弹道，再采用多层编码方法逐一时间段进行整体发射任务规划。其中编码的不同层次代表发射点序列及其发射任务序列，通过基于拥挤度的解码方法，获取每架飞机的发射任务需求以及每次发射任务的发射窗口分配方案。

3)计算结果：假设选择在国内内陆机场起飞，

表7 近地轨道星座构型

飞机飞行速度为800 km/h，同一架飞机相邻两次执飞间隔不小于6 h，每架飞机部署的卫星数量为1～3颗，如图5所示。经计算，总计14架飞机完成30颗卫星星座的发射部署用时为18 h，各轨道面部署完成时间如表8和图6所示。

图5 每架飞机所部署卫星数量统计Fig.5 Statistics on the number of satellites deployed per aircraft

表8 内陆发射不同轨道面星座所需时间

图6 国内机场部署各轨道面所需时间Fig.6 Time required for domestic airports to deploy various track surfaces

4)对比分析：采用一箭多星的部署方式，假设每枚火箭可发射6～8颗卫星，则需要4枚火箭。经计算，约15颗卫星入轨后需要调整相位满足部署需求，约15颗卫星入轨后需要改变轨道面满足部署需求。其中，轨道面调整采取利用J2摄动的间接法。

经计算可知，采用一箭多星发射方式，通过卫星自身调整以满足变轨需求，星座部署完成时间将会大幅增加。整体空间系统完整部署时间由18 h增加至108 d，如图7所示，难以满足快速响应等需求。

图7 一箭多星发射部署完整时间Fig.7 Complete deployment time for launching multiple satellites with one carrier rocket

相比之下，应用空中发射技术的单星发射方式具有更加便捷灵活的特性。

3.4 小结

本文采用仿真的方法对空中发射技术的特点进行量化分析。综合上述计算结果，可以得到以下结论：

1)假定利用在已有空基火箭基础上，直接增加地面助推级(助推级工作结束弹道倾角为零)的技术方案完成对应陆基发射火箭规模计算的方式，则要获得相同的运载能力，空基火箭总质量规模仅占陆基火箭规模的38%～41%，空基发射火箭规模更小。

2)相同火箭起飞质量，采用空中发射方式，近地轨道能力增幅为41%，太阳同步轨道能力增幅为27%，空基发射获得的运载能力更高。

3)以部署30颗星的规模星座作为算例：采用一箭一星空中发射方式完成规模星座部署约18 h，采用一箭多星发射方式，同时利用卫星轨道摄动的方式调整轨道面，则规模星座部署约108 d。空中发射单星的模式更适合快速响应的应急发射任务。

4 结束语

近年来，不断有学者在空射火箭的气动外形、弹道设计、姿态控制、空投分离方案以及测试发射技术等方面开展研究和试验工作，并取得令人欣喜的成绩，但在空中发射技术的工程实践上还存在一定差距。

随着近年来低轨卫星组网的井喷式增长，利用空中发射技术满足分布式空间系统构建的快速性、灵活性的任务需求具有更为深远的意义。