刑天

在《一千零一夜》中，辛巴達(dá)出海被棄置孤島，發(fā)現(xiàn)巨型鳥蛋，周長達(dá)五十步。原來，這是大鵬之蛋。大鵬回巢，辛巴達(dá)系自己于鳥爪。日出后，辛巴達(dá)靠大鵬之?dāng)y帶，逃到高崖之上。古今中外，有關(guān)大鵬鳥的傳說比比皆是，大鵬成為了巨大的神鳥的代稱。而一架敢以“大鵬”來命名的飛機，當(dāng)然一定是非常大的了。

2017年5月31日，人們期盼很久的“同溫層發(fā)射系統(tǒng)”的載機終于在美國莫哈維沙漠的航空航天基地下線。該機名為“大鵬”。作為空中發(fā)射運載火箭的載機，它必須能夠具備強大的載重能力，這使其擁有了目前世界上最長的翼展（117米）。從這個角度來說，剛剛下線的這架飛機成為了世界上最大的飛機。

大師操刀

“同溫層發(fā)射系統(tǒng)”的載機的廠內(nèi)編號為Model 351，我們不妨在本文把她叫做M351號。該機翼展117.349米，機長73.1米。整機重量為589.67噸，可攜帶230噸重的發(fā)射載荷飛行3 704.1千米。

M351的總設(shè)計師不是別人，卻正是伯特·魯坦本尊。他是美國加州理工大學(xué)航空工程學(xué)專業(yè)畢業(yè)的?，F(xiàn)年74歲的魯坦做出過不少有趣的設(shè)計。在美國國家航空航天博物館的大廳內(nèi)懸吊的3架飛行器。能夠在這里展示的飛行器代表著它們背后都有著傳奇的故事和炫目的榮耀。中間一架長相酷似大白的飛行器就是伯特·魯坦設(shè)計的太空船1號。這是人類首架由民營企業(yè)研制的能夠載多人多次往返天地間的空天飛行器，榮獲了安薩里X大獎。另外，打破環(huán)球飛行紀(jì)錄、引起眾人驚呼的多款飛行器，比如“海神”號、“白色騎士”2號都是他的手筆。

在追求大載重、遠(yuǎn)航程，另外還得漂亮的設(shè)計理念下，魯坦的M351延續(xù)了他一貫的設(shè)計風(fēng)格（尤其是與“白色騎士”2號有大量的相似之處）。整機大量應(yīng)用復(fù)合材料，而且大膽進(jìn)行結(jié)構(gòu)減重。

二手拼湊

作為一款空射火箭的載機，而且無論是設(shè)計師的履歷還是下線后該機的樣子，總是讓人想到“高大上”這個單詞。Bigger這個表示“比大更大”的單詞，其音譯本身就很“逼格”。但是，實際上，這是一架攢出來的飛機。

不妨回首看一眼M351下線的場景：潔白的機體，巨大的廠房，寬廣的大門。低頭看起落架。M351共有28個機輪：前起落架2個，主起落架分為6組（左右兩側(cè)各3組），每組4個機輪。等一下！有沒有突然覺得這家伙的起落架和機輪似曾相識，非常眼熟！

如果時光倒流，我們能夠跑回M351在工廠內(nèi)總裝的時候。我們還能夠發(fā)現(xiàn)那時還沒下線，從來沒有滑跑過的M351的機輪看上去舊舊的。喜歡飛機的人此時或許已經(jīng)能夠喊出來：這貨明明就是波音747的起落架！

波音747-400客機的主起落架為4組小車式布局，每組擁有4個機輪。M351同溫層發(fā)射系統(tǒng)載機則需要6組這樣的小車來組成主起落架，因此需要2架波音747客機來提供（實際上1架半就夠了，當(dāng)然買二手飛機通常不會像賣烤鴨那樣還能只買半只）。

在莫哈維航空航天基地的工程師們目睹M351下線的時候。我們一起認(rèn)出了該機的起落架實際上來自于波音747之后，是不是看到該機的發(fā)動機也覺得眼熟了？

的確，M351的發(fā)動機也是從波音747上拆下來的。細(xì)看的話，M351采用了6臺原本用于波音747-400的PW4056渦扇發(fā)動機。該發(fā)動機單臺推力為252.4千牛。每架波音747擁有4臺PW4056發(fā)動機，而每架M351需要6臺。那么，需要拆多少架波音747才能滿足1架M351的需要呢？答：取整數(shù)，為2架。

本著追本溯源，一查究竟的精神，我仔細(xì)查找和翻閱了M351的研制單位“縮比復(fù)合材料”公司在最近幾年參與買賣二手客機的信息。結(jié)果，果然發(fā)現(xiàn)，在2011年，該公司就和美聯(lián)航商議購買2架波音747-400的事情了。研制M351的公司購買了美聯(lián)航的兩架二手波音747-400（編號分別為28715和28716）。

該公司從美聯(lián)航買的這2架波音747-400后來到哪里去了呢？大家不妨一起來到位于莫哈維沙漠的美國民用飛行器測試中心看一看。那里堆放了大量拆得只剩下“核心技術(shù)”的客機。往里面找找，我們就發(fā)現(xiàn)縮比復(fù)合材料購買的波音747-400就在這里。美聯(lián)航的涂裝還沒來得及刮掉（其實本來也不刮的）。買來的兩架二手波音747-400，輪兒沒了，發(fā)動機也沒了，駕駛艙也沒了。實際上，這些都被縮比復(fù)合材料公司拆走裝在M351上面了。原來當(dāng)年他們購買二手波音747就是用來拆零件用的。

哈！不用研制，也不用測試，直接從成熟的客機上拆下來用，而且客機本身也是買的二手的，M351真是能夠節(jié)省成本的。仔細(xì)看的話，我們還可以發(fā)現(xiàn)那架波音747-400的駕駛艙也被拆了。可以大膽地斷定：未來上天的M351同溫層發(fā)射系統(tǒng)載機的駕駛艙和二手波音747-400是一個樣子的。

說到了駕駛艙，我再補充一下：M351采用雙機身設(shè)計。機組人員集中在右側(cè)機身的機頭部位。左側(cè)那個則是用來放置飛行數(shù)據(jù)記錄儀和其他儀器設(shè)備的。

史上留名

同溫層發(fā)射系統(tǒng)，顧名思義，就是要用飛機將火箭運到同溫層，然后釋放火箭的發(fā)射系統(tǒng)。同溫層發(fā)射系統(tǒng)準(zhǔn)備采用的空中發(fā)射運載火箭的模型已經(jīng)正式對外公開。果然進(jìn)展順利的話，不出幾年，我們就能夠看到“大鵬”在空中發(fā)射運載火箭的場景了。

實際上，人類對于從空中發(fā)射運載火箭或者洲際彈道導(dǎo)彈是有過嘗試的：1974年10月24日，一架C-5運輸機飛上了高空。貨艙門打開后，一枚“民兵”洲際彈道導(dǎo)彈從尾艙門那里跑了出來。這枚能夠攜帶核彈頭的洲際彈道導(dǎo)彈在這一天完成了空中發(fā)射試驗。

但是，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)射是一個要素，能夠真正實現(xiàn)商業(yè)運營，成功盈利，則是另一個同樣重要的要素。

空中發(fā)射火箭的優(yōu)勢主要有2個：

一是火箭本身擁有了一定的速度和高度，能夠以較少的燃料將載荷送入太空；endprint

二是火箭在同溫層發(fā)射，其發(fā)射時機基本上不再受天氣情況的影響。而載機飛到公海上空時，其一級落區(qū)可以不影響陸上居民，火箭對射向的選擇也比較自由。

但是，真正能夠?qū)崿F(xiàn)空中發(fā)射，至少要突破三個關(guān)鍵技術(shù)。

一是火箭（或洲際彈道導(dǎo)彈）的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在發(fā)射時已經(jīng)隨著載機這個動平臺飛行了一段時間，需要有專門的陀螺對準(zhǔn)算法來保證制導(dǎo)控制系統(tǒng)對位置和速度判斷的準(zhǔn)確性；

二是火箭（或洲際彈道導(dǎo)彈）與載機分離的時候，要避免與載機發(fā)生相撞事故；

三是要有載重量足夠的大型載機，才能為運載火箭提供夠用的空中平臺。

M351這個載機空中平臺有了，而真正商業(yè)化的路，還有點長。目前，世界上唯一在役并成功商業(yè)化運營的空射運載火箭是“飛馬座”火箭。

1990年4月5日，首枚“飛馬座”空射運載火箭試射成功。其后不久，該火箭就高調(diào)亮相了。公眾第一次見到“帶翅膀”的運載火箭?！帮w馬座”是一款三級固體運載火箭?；鸺睆?.27米，其基本型全長16.91米，重18.5噸；XL型全長17.61米，重23.13噸。按設(shè)計指標(biāo)，該火箭可以將重量在443千克以內(nèi)的載荷送入500千米高的近地軌道上。的尾翼采用全動式的倒Y型設(shè)計。這種3片尾翼的設(shè)計在某些反艦導(dǎo)彈上也能見到。

前路漫漫

早期的“飛馬座”以B-52轟炸機的改進(jìn)型號為平臺。由B-52帶上萬米高空后釋放。該運載火箭從1990年4月5日的首次試射到1994年，共有5次發(fā)射是從B-52載機上發(fā)射的。其中3次成功，2次部分成功。（所謂部分成功就是發(fā)射成功了，但是軌道高度比預(yù)定的低，衛(wèi)星在軌壽命受到了影響。比如第2次發(fā)射，衛(wèi)星的確上了天，但是軌道高度太低，設(shè)計壽命3年的衛(wèi)星只飛了6個月就再入大氣燒毀了。）

從1994年6月開始，軌道科學(xué)公司開始用他們購買的一架洛克希德L-1011客機作為“飛馬座”空射運載火箭的載機了。L-1011是一款在技術(shù)上非常先進(jìn)的客機。性能優(yōu)異的導(dǎo)航系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)使得該機能夠在零能見度的機場進(jìn)行自主起降。高壓焊接技術(shù)的引入使L-1011的機身有很強的抗腐蝕能力。但是，從商業(yè)運營的角度來看，該機并不算成功。自1968年投產(chǎn)到1984年停產(chǎn)，共有250架L-1011走出總裝廠投入運營。這個產(chǎn)量使得洛克希德公司難以在該項目上獲得大量盈利。如今，人們已經(jīng)難覓L-1011的蹤影。但是，該機終究還是給熱愛航空的我們留下了深刻的印象。

從1997年8月29日的第17次發(fā)射到現(xiàn)在，飛馬座空射運載火箭全部發(fā)射成功，沒有再出現(xiàn)過意外的狀況。飛馬座火箭，共43次發(fā)射，其中成功38次，部分成功2次，失敗3次。目前，飛馬座空射運載火箭的發(fā)射報價為：5630萬美元。

被軌道科學(xué)公司購買的L-1011客機專門在機腹位置開了一個槽，以便容納飛馬座空射運載火箭翹起來的小尾巴。同時，L-1011載機內(nèi)部也做了大量改進(jìn)。比如可以用機上的環(huán)境控制系統(tǒng)給“飛馬座”運載火箭的整流罩內(nèi)通冷氣以便將載荷的溫度控制在比較優(yōu)化的范圍內(nèi)。

L-1011的起落架算是夠長，能夠在肚子上帶了一枚火箭的情況下正?；?。

當(dāng)人們在討論未來的“大鵬”也就是M351雙機身大飛機如何在空中發(fā)射火箭，以及火箭該怎么飛的時候，不妨看看已經(jīng)多次發(fā)射的“飛馬座”是怎么飛的。畢竟馬兒跑和驢子跑，樣子還是比例類似的。

從L-1011載機上釋放后，火箭先自由下落5秒鐘。這個設(shè)計是讓火箭與載機相隔一定距離后再點火，以避免火箭與飛機發(fā)生相撞事故。

在12.31千米高（也就是地面上方1.231萬米處）的地方，飛馬座火箭的第一級點火。

1分34秒后，第二級點火，此時飛馬座火箭已經(jīng)飛到了71.41千米高的地方。

2分12秒后，飛馬座火箭拋整流罩?；鸺呀?jīng)飛到了115.93千米高的地方越過了100千米卡門線，進(jìn)入太空。

6分48秒后，第三級點火，火箭距離地面486.81千米。

7分57秒后，飛馬座火箭將衛(wèi)星送入軌道。

空中發(fā)射運載火箭到底能省多少燃料？其優(yōu)勢難道真的主要在節(jié)省燃料這一方面么？還是和大家一起計算一下再下結(jié)論吧！

首先要說明的是：把衛(wèi)星送到軌道上，其對動能的需求遠(yuǎn)大于對重力勢能的需求?；蛘邠Q句話說：飛得快比飛得高重要得多。這一點就可以讓那些“用氣球?qū)⒒鸺龓У礁呖赵侔l(fā)射”“運到高山上再發(fā)射”等觀點消停一會兒了。當(dāng)然，具體來說，快比高重要多少呢？無需用軌道動力學(xué)，僅用高中物理就足夠證明并概算了。

飛機、氣球能夠把運載火箭帶到萬米高空，努力一下子的話，可以帶到2萬米的高空，也就是20千米高的地方。但是，實際上20千米的大氣層內(nèi)飛行高度相對于500千米的軌道高度來說，還是太低了。我們把氣球或者飛機的能力放大10倍！夠厲害了吧。然后來算一下，在200千米高的地方，動能與重力勢能哪個是占能量需求的主要部分的吧。萬有引力提供向心力，根據(jù)這個，再代入地球質(zhì)量和萬有引力常數(shù)，我們能夠算出200千米高的地方，火箭需要有7.8千米/秒的速度。假設(shè)我們要把一個1千克的載荷送到200千米高度的地方，其重力勢能為1.96兆焦耳，而其動能則高達(dá)30.42兆焦耳，足足是重力勢能的15.5倍！也就是說，哪怕是把飛機、氣球的能力放大10倍，僅靠抬升高度的方法，對于火箭來說也僅僅能夠節(jié)省6.06%的能量。由此說來，那種晃晃悠悠把火箭慢慢送到高空的方法，并不能從本質(zhì)上讓發(fā)射火箭變得容易。

不過，在發(fā)射前賦予火箭一定的初速度，對火箭來說的確是有幫助的。從高空發(fā)射火箭的另外的好處就是避開了較為稠密的大氣，讓空氣阻力的影響盡量減小，從而也能節(jié)省一部分燃料。摸清楚飛馬座火箭的氣動特性后，我們就能夠進(jìn)行進(jìn)一步地計算了。按照速度增量來說，空中發(fā)射的運載火箭節(jié)省了地面發(fā)射的運載火箭在前20秒內(nèi)燃燒的燃料。如果綜合考慮其他因素的話，節(jié)省的燃料還會更多?；蛘?，從另外一個角度來計算：如果這枚飛馬座火箭不由L-1011帶到高空發(fā)射，而是從地面發(fā)射的話，需要在火箭尾部增加一個怎樣的助推級呢？

略掉計算過程，直接給出計算結(jié)果吧：為減少氣動阻力，我們?nèi)圆捎弥睆?.27米的設(shè)計（與飛馬座火箭直徑相同）。那么，我們需要6.861噸的HTPB固體火箭燃料。即使保守估計，這枚助推器的殼體也會有1噸重。也就是說，用L-1011空射18.5噸重的飛馬座火箭如果改為從地面發(fā)射的話，需要加上一個7.861噸重的固體火箭助推器?？丈溥\載火箭與地面發(fā)射的運載火箭之間的對比，小火箭覺得用這個計算結(jié)果已經(jīng)比較能夠說明問題了。歡迎工程師們和愛好者們提供自己的計算結(jié)果，一起討論。本文在這里算是拋磚引玉了。endprint