涂良輝，楊 昆，王 英，王 直，溫智翔，張方成

（中航工業(yè)洪都, 江西 南昌330024）

0 引 言

傳統(tǒng)火箭發(fā)射方式是在固定的發(fā)射場(chǎng)發(fā)射，發(fā)射地點(diǎn)、發(fā)射窗口等受到很多限制。 而采用飛行器空中發(fā)射運(yùn)載火箭則可以在任意的空域、 任意的時(shí)間發(fā)射，具有自主性、機(jī)動(dòng)性、靈活性、快速響應(yīng)和部署等優(yōu)點(diǎn)，是一種比在地面發(fā)射火箭更便宜、簡(jiǎn)單的方法。 目前，作為新興航空航天技術(shù)，飛行器空基發(fā)射運(yùn)載火箭越來(lái)越受到各國(guó)高度重視。

本文綜述了國(guó)外飛行器空基發(fā)射運(yùn)載火箭的現(xiàn)狀， 對(duì)飛行器空基發(fā)射運(yùn)載火箭的技術(shù)及其難點(diǎn)進(jìn)行了梳理， 并分析了飛行器空基發(fā)射運(yùn)載火箭的力學(xué)問(wèn)題。

1 國(guó)外空基發(fā)射運(yùn)載火箭現(xiàn)狀

1.1 美國(guó)

美國(guó)于上世紀(jì)80年代末，放棄了部分的原有大型軍事計(jì)劃， 開始研制具有一定經(jīng)濟(jì)意義的民用項(xiàng)目，如圖1 為軌道科學(xué)公司的L-1011 運(yùn)輸機(jī)空射固體小型運(yùn)載火箭“飛馬座”。 運(yùn)載火箭“飛馬座”采用的吊掛式水平投放發(fā)射技術(shù)已經(jīng)過(guò)了多次成功發(fā)射，“飛馬座” 是迄今為止世界上唯一投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)的空射運(yùn)載火箭。 “飛馬座”運(yùn)載火箭的成功發(fā)射，打開了飛行器空基發(fā)射技術(shù)實(shí)用化的成功之門。

圖1 軌道科學(xué)公司的L-1011 運(yùn)輸機(jī)空射“飛馬座”運(yùn)載火箭

1.2 前蘇聯(lián)/俄羅斯

蘇聯(lián)解體前， 南方設(shè)計(jì)局曾設(shè)想設(shè)計(jì)一種采用以安-124CK 為載機(jī)、運(yùn)載火箭為固體燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、 兩種改進(jìn)的控制裝置和一個(gè)整流罩配套而成的空射運(yùn)載火箭系統(tǒng)， 該項(xiàng)目由于前蘇聯(lián)解體而沒(méi)有最終完成。 原來(lái)研發(fā)洲際導(dǎo)彈的設(shè)計(jì)局在前蘇聯(lián)解體后相繼提出了許多運(yùn)載火箭方案， 其中包含了空基發(fā)射方案， 但都由于高額的研發(fā)費(fèi)用和巨大的空基發(fā)射技術(shù)難題而被擱置。 俄羅斯致力于改變其沒(méi)有實(shí)用化空基發(fā)射運(yùn)載火箭的狀況，在1999年提出全力研發(fā)“飛行”號(hào)空基發(fā)射運(yùn)載系統(tǒng)（如圖2），并改裝了空中載機(jī)安-124 運(yùn)輸機(jī)和建立了空射航天中心。 “飛行”號(hào)的發(fā)射費(fèi)用明顯低于地面發(fā)射，具有極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

圖2 “飛行”號(hào)空基發(fā)射運(yùn)載系統(tǒng)示意

2 空基發(fā)射運(yùn)載火箭優(yōu)勢(shì)

運(yùn)載火箭的發(fā)射有多種多樣， 其中按發(fā)射基點(diǎn)主要分為陸基發(fā)射和空基發(fā)射兩種。

2.1 陸基發(fā)射運(yùn)載火箭

陸基發(fā)射是以陸地作為運(yùn)載火箭發(fā)射基點(diǎn)的發(fā)射方式。 陸基發(fā)射運(yùn)載火箭雖然具有技術(shù)成熟和使用難度低的優(yōu)點(diǎn)，但是還存在以下問(wèn)題：

1）對(duì)地面發(fā)射基礎(chǔ)設(shè)施依賴性強(qiáng)；

2）發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)；

3）發(fā)射窗口少；

4）運(yùn)載火箭燃料、能量消耗大；

5）發(fā)射費(fèi)用昂貴。鑒于上述問(wèn)題， 各國(guó)工程師們開始重點(diǎn)研究空基發(fā)射等其他更加靈活的發(fā)射方式。

2.2 空基發(fā)射運(yùn)載火箭

空基發(fā)射運(yùn)載火箭是指以飛行器(大型貨運(yùn)飛機(jī)、軍用運(yùn)輸機(jī)、戰(zhàn)略轟炸機(jī)或是某些特種航空器)為平臺(tái)將運(yùn)載火箭攜帶到高空后釋放分離， 獲得正確姿態(tài)后，運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火并進(jìn)入空間軌道。

按照運(yùn)載火箭在飛行器上的裝載方式， 空基發(fā)射運(yùn)載火箭的方式主要分為背駝式、 吊掛式、 內(nèi)置式、 拖曳式、 空中加油式和氣球或飛艇空中發(fā)射六種。 其中吊掛式是目前最為成熟的空基運(yùn)載火箭發(fā)射方式， 氣球或飛艇空中發(fā)射方式僅處于概念設(shè)想階段。

高空發(fā)射運(yùn)載火箭方式可以有效消除或減輕陸基發(fā)射的種種不足，具有很多獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：

1）對(duì)地面發(fā)射基礎(chǔ)設(shè)施依賴性低

地面發(fā)射需要龐大基礎(chǔ)設(shè)施， 精心規(guī)劃排定整個(gè)發(fā)射流程，充分考慮發(fā)射場(chǎng)及落區(qū)的安全性。 空基運(yùn)載火箭可以在空中進(jìn)行發(fā)射， 因此對(duì)地面基礎(chǔ)設(shè)施依賴度很低。

2）縮短發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間

由于飛行器空基發(fā)射運(yùn)載火箭不需要原有的地面發(fā)射準(zhǔn)備過(guò)程，因此可以大幅縮短發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間。

3）發(fā)射條件靈活

由于實(shí)現(xiàn)了高空發(fā)射， 因此氣象條件帶來(lái)的影響遠(yuǎn)小于常規(guī)地面發(fā)射方式， 而且可以做到隨時(shí)需要隨時(shí)發(fā)射。

4）減少發(fā)射燃料

飛行器給運(yùn)載火箭提供了一定的初始速度和高度，可節(jié)省運(yùn)載火箭的推進(jìn)劑消耗，減少發(fā)射燃料。

5）大幅度降低發(fā)射費(fèi)用

飛行器可以在一般機(jī)場(chǎng)起降， 不需要建設(shè)龐大的地面配套設(shè)施，大為縮減了人員數(shù)量，從而大大降低了發(fā)射費(fèi)用，空中發(fā)射火箭具有很好的經(jīng)濟(jì)性。

3 空基發(fā)射運(yùn)載火箭技術(shù)及其難點(diǎn)

3.1 空基發(fā)射運(yùn)載火箭技術(shù)

1）內(nèi)置式重裝空投技術(shù)

在準(zhǔn)備投放階段， 運(yùn)載火箭平臥在貨臺(tái)上的支架內(nèi)。 一旦接收到授權(quán)投放指令，飛行器將解鎖貨臺(tái)與貨艙緊固連接裝置。 保險(xiǎn)在牽引傘釋放機(jī)構(gòu)的作用下打開，投出牽引傘。 均勻張開連接到貨臺(tái)上的兩具牽引傘， 這時(shí)貨臺(tái)在巨大牽引力作用下被拖著沿導(dǎo)軌從尾艙門加速滑出，隨之張開三具減速主傘；當(dāng)下降到一定高度時(shí)， 運(yùn)載火箭的姿態(tài)將被調(diào)整到接近垂直位置， 爆炸螺栓將環(huán)抱運(yùn)載火箭的連接裝置立即切斷，運(yùn)載火箭分離，一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)隨即點(diǎn)火，在推力作用下運(yùn)載火箭開始爬升。

2）內(nèi)置式重力空射技術(shù)

發(fā)射前，飛行器在某一高度巡航飛行。 接到準(zhǔn)備發(fā)射指令時(shí)，飛行器就會(huì)完成裝載工作，處于待發(fā)射狀態(tài)。 一旦飛行器收到授權(quán)發(fā)射指令，就會(huì)打開尾艙門，并調(diào)整斜面艙門使其保持在水平狀態(tài)。 緊接著機(jī)頭上仰一定角度飛行， 把連接到一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管外壁的小型穩(wěn)定傘釋放出來(lái)， 并解鎖緊固運(yùn)載火箭的連接裝置， 這樣運(yùn)載火箭在重力的作用下將會(huì)沿著發(fā)射托架的傳送輪胎快速滑動(dòng)， 幾秒鐘后運(yùn)載火箭從飛行器艙門中滑出。 運(yùn)載火箭的尾部先落下，在重力作用下運(yùn)載火箭會(huì)繞重心作俯仰運(yùn)動(dòng)， 尾部向前頭部向后， 穩(wěn)定傘會(huì)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)淖枇?lái)達(dá)到控制運(yùn)載火箭所作的俯仰運(yùn)動(dòng)的目的， 使其以較低俯仰角速率運(yùn)動(dòng)；當(dāng)運(yùn)載火箭處于接近垂直位置時(shí)，穩(wěn)定傘的傘繩將被切斷，一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，在推力矢量控制系統(tǒng)的作用下運(yùn)載火箭保持穩(wěn)定狀態(tài)， 并按預(yù)定運(yùn)載火箭軌跡飛行。

3）吊掛式懸吊-系索空投技術(shù)

運(yùn)載火箭外掛在飛行器的機(jī)腹下， 運(yùn)載火箭的重心處有一個(gè)掛載連接點(diǎn)， 其頭部也有一個(gè)系索連接點(diǎn)。 發(fā)射前， 空中載機(jī)攜帶運(yùn)載火箭爬升到一定高度， 保持水平巡航飛行， 連接到一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管外壁的小型穩(wěn)定傘會(huì)先展開， 緊接著解鎖斷開連接運(yùn)載火箭重心處的掛載裝置， 運(yùn)載火箭尾部先于頭部落下， 連接頭部的系索經(jīng)過(guò)一個(gè)短暫的延時(shí)后再斷開， 運(yùn)載火箭在重力的作用下會(huì)產(chǎn)生俯仰力矩， 接下來(lái)的過(guò)程與重力空射技術(shù)的這個(gè)階段完全一樣。

4）三種發(fā)射技術(shù)的比較

“教材無(wú)非是個(gè)例子”。教材中出現(xiàn)的“生活主題”“生活場(chǎng)景”大多不是學(xué)生現(xiàn)實(shí)生活中原汁原味的生活場(chǎng)景。因此，教師應(yīng)充分挖掘?qū)W生的生活，調(diào)動(dòng)學(xué)生的已有經(jīng)歷，從熟悉的事物、場(chǎng)景入手，讓呈現(xiàn)內(nèi)容能觸及學(xué)生的內(nèi)心，形成感動(dòng)體驗(yàn)，達(dá)成價(jià)值目標(biāo)。

內(nèi)置式重裝空投技術(shù)要實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭的牽引出艙和減速降落， 需要使用技術(shù)難度高且復(fù)雜的降落傘系統(tǒng)， 貨臺(tái)/支架同時(shí)掉落將會(huì)給地面帶來(lái)安全隱患； 特別是內(nèi)置式重裝空投技術(shù)損失了運(yùn)載火箭的初始高度和速度， 在一定程度上抵消了空基發(fā)射技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。 而重力空射技術(shù)可以有效地避免以上缺點(diǎn)，是一種最簡(jiǎn)單、安全、可靠和高效的空基發(fā)射技術(shù)。 懸吊-系索空投技術(shù)則利用延時(shí)和重力作用，使投放的運(yùn)載火箭在飛行器后方實(shí)現(xiàn)了穿越， 具有簡(jiǎn)單、安全、可靠、高效和經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)。

3.2 空基發(fā)射運(yùn)載火箭難點(diǎn)

1）運(yùn)載難度高

裝載具有較大尺寸和重力的運(yùn)載火箭， 對(duì)飛行器的承載能力要求很高， 同時(shí)也要仔細(xì)考慮飛行器與運(yùn)載火箭的匹配性。 這不僅要求具備大型飛行器，還須具有改裝飛行器和運(yùn)載火箭的能力。 運(yùn)載火箭裝載后，由于其運(yùn)載火箭體積和重量都較大，會(huì)在很大程度上限制載機(jī)的飛行靈活性。 特別是當(dāng)運(yùn)載火箭外掛在飛行器上時(shí)， 將對(duì)飛行器的承載能力要求更高。

2）投放分離難度大

飛行器飛行速度越快，投放高度越高，運(yùn)載火箭具有的初始速度就會(huì)越高，所需要的燃料也就越少。但是飛行器速度高、運(yùn)載火箭重量大，這不僅要求飛行器具有較高的承載能力， 而且大型運(yùn)載火箭在投放后，又會(huì)突然減輕飛行器的重量，使飛行器處于失控的危險(xiǎn)狀態(tài)中。

3）控制運(yùn)載火箭的空中姿態(tài)難度大

運(yùn)載火箭分離后，必須逐步調(diào)整它的姿態(tài)，只有在正確的方向才能實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火， 這個(gè)過(guò)程涉及的技術(shù)難度非常高。

4）制導(dǎo)難度大，研發(fā)費(fèi)用高昂

陸基發(fā)射的發(fā)射點(diǎn)坐標(biāo)經(jīng)過(guò)精確測(cè)量， 而空基發(fā)射的運(yùn)載火箭屬于動(dòng)基座， 要掌握動(dòng)基座下慣性系統(tǒng)的初始對(duì)準(zhǔn)技術(shù)具有很高的難度。 空基發(fā)射運(yùn)載火箭時(shí)，由于飛行器發(fā)射點(diǎn)的坐標(biāo)無(wú)法精確確定，使得運(yùn)載火箭進(jìn)入發(fā)射前的定位信息無(wú)法準(zhǔn)確獲取， 是飛行器空基發(fā)射運(yùn)載火箭難于陸基發(fā)射的重要因素。

4 空基發(fā)射運(yùn)載火箭受力分析

目前飛行器空基發(fā)射運(yùn)載火箭主要是利用重力的影響，再輔以小型穩(wěn)定傘來(lái)調(diào)整運(yùn)載火箭姿態(tài)，以便達(dá)到合適的點(diǎn)火姿態(tài)。 運(yùn)載火箭從飛行器上分離，無(wú)論是采用內(nèi)置式重力空射技術(shù)還是吊掛式懸吊-系索空投技術(shù)， 二者都用小型穩(wěn)定傘來(lái)輔助調(diào)整運(yùn)載火箭的姿態(tài)。 小型穩(wěn)定傘的受力分析如圖3 所示。

圖3 小型穩(wěn)定傘的受力分析

由一般運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)和重量分布可知， 運(yùn)載火箭后半部充滿燃料， 所以運(yùn)載火箭的重心位置靠近其尾部。

小型穩(wěn)定傘的作用點(diǎn)一般位于運(yùn)載火箭尾部的某一點(diǎn)，令其與運(yùn)載火箭軸線距離為Zp，距離重心為Xp，根據(jù)阻力產(chǎn)生的原理，小型穩(wěn)定傘產(chǎn)生的阻力可表示為F=CDSAq，其中F 為傘的載荷，q 為動(dòng)壓，CD為傘阻力系數(shù)，SA為傘面積。 小型穩(wěn)定傘產(chǎn)生的傘阻力可分解為運(yùn)載火箭在三個(gè)體軸上受到的力和力矩，見(jiàn)式（1）。

進(jìn)一步將小型穩(wěn)定傘引起的六個(gè)力與力矩分量轉(zhuǎn)化為無(wú)量綱系數(shù)的形式，表達(dá)式如式(2)所示。

由上式可知， 小型穩(wěn)定傘對(duì)運(yùn)載火箭在俯仰和偏航方向都能產(chǎn)生一定的力矩作用， 考慮到實(shí)際情況中，運(yùn)載火箭除了受垂直方向的空氣阻力，還可能受偏航方向的氣流影響， 故穩(wěn)定傘對(duì)運(yùn)載火箭進(jìn)一步的運(yùn)動(dòng)起到了很好的調(diào)節(jié)作用， 有助于運(yùn)載火箭更好的達(dá)到所需要的姿態(tài)。

運(yùn)載火箭在空中運(yùn)動(dòng)， 受沿運(yùn)載火箭分布的空氣阻力擾動(dòng)（如圖4）。重心前后兩部分的空氣阻力作用力分別對(duì)重心取力矩，易知f1·x1＞f2·x2，故運(yùn)載火箭尾部有向下擺動(dòng)的力矩。 由于傘阻力F 的作用，使得原本難以控制的擺動(dòng)狀態(tài)， 通過(guò)小型穩(wěn)定傘來(lái)控制運(yùn)載火箭尾部向下擺動(dòng)幅度的大小， 使運(yùn)載火箭處于一個(gè)穩(wěn)定可靠的狀態(tài)。

圖4 運(yùn)載火箭的空氣阻力擾動(dòng)示意

最終運(yùn)載火箭在小型穩(wěn)定傘力矩的輔助作用下，逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在進(jìn)行微調(diào)之后，拋去小型穩(wěn)定傘，點(diǎn)火發(fā)射，實(shí)現(xiàn)了飛行器空基發(fā)射運(yùn)載火箭的目的，如圖5 所示。

圖5 運(yùn)載火箭逐漸達(dá)調(diào)整到點(diǎn)火姿態(tài)

5 結(jié) 語(yǔ)

與陸基相比， 飛行器空基發(fā)射運(yùn)載火箭由于不需要原有的地面發(fā)射裝置和準(zhǔn)備過(guò)程， 可以有效地降低發(fā)射成本并大幅縮短發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間； 由于實(shí)現(xiàn)了高空發(fā)射， 因此受氣象條件影響遠(yuǎn)小于常規(guī)地面發(fā)射方式，可以做到隨時(shí)需要隨時(shí)發(fā)射。 鑒于上述優(yōu)點(diǎn)， 飛行器空基發(fā)射運(yùn)載火箭技術(shù)已經(jīng)得到了各航空航天大國(guó)的高度重視， 了解和掌握該技術(shù)具有重要的軍民兩用價(jià)值。

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