文/ 劉琳

本世紀初，美國開展了基于現(xiàn)役軍用運輸機為平臺的空中發(fā)射技術研究，在國防高級研究計劃局（DARPA）的資助下，基于C-17飛機平臺，以快速到達號兩級液體火箭為研究目標，提出了內(nèi)裝式重力空中發(fā)射技術（GAL）方案，歷經(jīng)概念階段（2003.6-2003.9）、第一階段（2003.9-2004.9）、第二A 階段（2004.9-2005.10）、第二B 階段（2005.10-2006.7）的工作，完成了17 次發(fā)動機試車和3 次空中投放試驗，同期，項目組開展了系索空投（t/LAD）方法研究，在2005年完成了3 次縮比空投試驗。但受到海上發(fā)射爆炸事故影響，DARPA 擔心飛機內(nèi)裝液體火箭的安全性風險，項目在2007年被取消。內(nèi)裝式重力空中發(fā)射技術（GAL）研究終止后，項目組提出了火箭外置于C-17 飛機的拖曳式垂直空中發(fā)射技術（VAL）方案，并于2012年申請技術專利。

空射技術的起源

把載荷從地球送入軌道的最大挑戰(zhàn)來源于地球大氣。在200 千米高度近地軌道的運行速度為7784 米每秒，但由于存在地球大氣，如果從地面實施航天發(fā)射，為了克服經(jīng)過大氣的重力損失、阻力損失、轉向損失、大氣壓力損失等，火箭所需的總速度增量達到9000 米每秒到9400 米每秒；同時，發(fā)動機在真空狀態(tài)下可以獲得最佳性能，任何外部的環(huán)境壓力都會造成推力損失，假設推進劑的真空比沖可以達到450 秒，其海平面比沖僅可達到360秒～370 秒水平。經(jīng)過數(shù)十年火箭技術的發(fā)展，要大幅提升動力性能已經(jīng)愈發(fā)艱難，降低箭體結構重量也幾乎到達極限。于是，航天工程師們提出了另一種思路——提升發(fā)射高度：將發(fā)射高度從0 千米提升到10 千米，火箭所需速度增量減少近1000 米每秒，也就意味著從10 千米高空發(fā)射火箭，與地面發(fā)射相比，可以避免60%的速度損失。這正是自上世紀50年代，美國就致力于開展空射導彈、空射運載火箭等項目研究的最大動力——空中發(fā)射技術可以有效地改善火箭發(fā)動機系統(tǒng)性能，并減少運載火箭上升段的速度損失。此外，載機還可以飛到任意軌道傾角所對應的緯度，也提升了任務實施的靈活性。

▲ 重力空中發(fā)射技術

▲ 存儲發(fā)射托架（SLC）

獵鷹計劃

2003年6月，美國國防高級研究計劃局（DARPA）舉辦了為期6 個月的小型運載火箭（SLV）研究競賽——獵鷹計劃（Falcon），旨在尋找針對小型衛(wèi)星的快速響應發(fā)射技術。通過“九進四”、“四進一”的兩輪選拔，最終空中發(fā)射公司（Air Launch LLC）勝出，被授權開展2B 以及2008年的2C 階段的演示驗證工作，并獲得1780 萬美元的資金支持。

▲ 釋放鏈（CRS）

獵鷹計劃的具體技術指標是：在24小時內(nèi)，將重453 千克的衛(wèi)星送入軌道傾角為28.4°、高度為185 千米的近地軌道，有效載荷的尺寸包絡為101.6 厘米×152.4 厘米，發(fā)射費用不超過500 萬美元。

快速到達項目

美國空中發(fā)射有限責任公司（AirLaunch LLC）對標獵鷹計劃指標，設計了快速到達號空射火箭（QuickReach），運載火箭重33 噸，采用兩級液體構型，整流罩尺寸能夠滿足不大于907 千克重量載荷的安裝空間。為了降低發(fā)射成本，快速到達號火箭采用簡單和便宜的蒸汽加壓替代傳統(tǒng)泵式加壓系統(tǒng)，推進劑采用可以自增壓和易操作的液氧丙烷，結構布局上使用了“俄羅斯式”的套裝方式，將二級發(fā)動機安裝在一級丙烷貯箱內(nèi)，取消級間段實現(xiàn)全箭的緊湊布局，降低了全箭重量和成本。

重力空中發(fā)射技術（GAL）

內(nèi)裝式重力空中發(fā)射技術方案是：將快速到達號液體運載火箭內(nèi)置于未經(jīng)改裝的C-17 飛機貨艙內(nèi)，飛行到公海區(qū)域后，機身調(diào)整到6°仰角，調(diào)整貨艙壓力，打開尾艙門，拋出降落傘；接到發(fā)射命令后，火箭依托自身重力，在穩(wěn)定傘的輔助作用下滑出機艙，大約3 秒后，運載火箭俯仰角達到70°～80°時，一級發(fā)動機實施空中點火。

重力空中發(fā)射系統(tǒng)主要由3 個部分組成，分別是存儲發(fā)射托架、釋放鏈和C-17 運輸機。存儲發(fā)射托架由兩排輪胎組成，輪胎采用直徑為44.5 厘米的航空商業(yè)輪胎。該輪胎可以在海拔13.7 千米高度下連續(xù)工作。存儲發(fā)射托架上共計84 個輪胎，最后三排輪胎采用雙倍的數(shù)量布局（即12 個輪胎）。存儲發(fā)射托架重量為3.7 噸，可以兼容C-17 飛機的貨艙地面軌道以及貨艙內(nèi)吊架系統(tǒng)的標準接口。發(fā)射前，存儲發(fā)射托架和快速到達號火箭為整體貯存，滿足長壽命、低成本和少維修的使用要求。

火箭由釋放鏈系留固定在貨艙內(nèi)，鏈條為C-17 的標準鏈條，火箭分離時采用自動或者手動的氣動解鎖方式。在進行模擬箭空投試驗時共用了12 根鏈條，火箭每側6 根。

重力空中發(fā)射系統(tǒng)基于C-17 飛機的3 次模擬箭空投試驗均非常成功：2005年9月，項目組在愛德華茲空軍基地完成了空投22.7 噸模擬箭的試驗；2006年6月，空投了29.5 噸試驗箭，創(chuàng)造了C-17飛機投放的單體重量記錄；2006年7月，空投32.7 噸的試驗箭，再次刷新記錄。

垂直空中發(fā)射技術

2007年，由于擔心運載火箭在飛機內(nèi)部或者附近發(fā)生爆炸，重力空射技術演示驗證試驗被叫停。同時，汲取了同年“天頂號”海射火箭的失利經(jīng)驗，研究團隊提出垂直空中發(fā)射技術（VAL）方案，目的是采用飛機牽引垂直空射撬（VALS）裝置的方式，實現(xiàn)在距離載機數(shù)百米之外進行火箭發(fā)射，提升空中發(fā)射的安全性。

拖曳式垂直空中發(fā)射技術方案是：以在愛德華茲空軍基地實施發(fā)射為例，該空軍基地的跑道長度為4572 米，VALS 裝置攜帶運載火箭位于跑道的近端，載機與VALS 裝置之間的牽引繩長度為640 米。C-17 飛機在滑跑670.6米后升空，48 秒后，飛機爬升到640米的高空，此時VALS 裝置到達跑道的遠端并離開地面。牽引繩長度需要根據(jù)跑道長度和飛機類型進行設計，以采用C-17 飛機為例，經(jīng)過計算，不同長度的跑道與牽引繩的對應關系如表所示。

▲ 快速到達火箭示意圖

▲ 空投試驗箭示意圖

▲ 地面跌落試驗

▲ 全尺寸模擬出艙試驗

▲ 垂直空中發(fā)射技術方案

跑道長度與牽引繩長度關系

當飛機拖曳著VALS 裝置和運載火箭到達約7.6 千米高度時，VALS 裝置通過旋轉短翼結構調(diào)整發(fā)射姿態(tài)，達到預定發(fā)射姿態(tài)后5 秒，系統(tǒng)對發(fā)動機狀態(tài)進行判斷，如果動力系統(tǒng)正常，則由VALS 裝置釋放運載火箭完成空中發(fā)射。發(fā)射完成后，C-17 飛機攜帶VALS裝置返回機場跑道，VALS 裝置以3 米每秒的速度進場著陸，過程類似于艦載機在航母上的著陸方式。VALS 裝置著陸時完成與牽引繩的分離，之后C-17飛機再繞場一周釋放牽引繩，當飛機第三次經(jīng)過機場跑道時，C-17 飛機降落。

垂直空射撬（VALS）裝置外形類似于滑翔機，但是為了便于控制，取消了兩側滑翔翼，改用短翼布局，同時短翼結構可以在火箭發(fā)射前調(diào)整自身姿態(tài)，有利于獲得更好的發(fā)射角度，提升系統(tǒng)入軌能力。VALS 主要由牽引繩、拖攬和主結構（含起落架）組成。

牽引繩由多股編織繩組成，強度相當于鋼絲繩，但重量僅為相同強度鋼絲繩的七分之一，如直徑為7.62 厘米的繩索強度可達到340 噸力。牽引繩與飛機的連接共3 種方式，但從響應時間上看，采用連接到飛機艙內(nèi)托盤的方式最為便捷，也是研究團隊的首選方案。

拖攬連接在VALS 裝置的短翼處，為Y 型結構，采用聚乙烯材料。

主結構（含起落架）通過調(diào)整尾部短翼可以使火箭的發(fā)射姿態(tài)達到60°或者垂直姿態(tài)。VALS 裝置的主結構和起落架都是采用現(xiàn)有飛機方案改裝，VALS 裝置采用抗側翻的設計，最大可承受傾斜角度為59°，遠超過了波音737（側翻角度44°）和一般小型飛機（側翻角度31°）。經(jīng)過估算，拖曳45.36 噸的火箭，VALS 裝置所需要的重量是1.97 噸，且成本費用僅為滑翔機的二分之一，新飛機的四分之一。同時VALS 裝置還有加強背結構，用于儲存液體運載火箭所需要的液體推進劑。

相比于重力空中發(fā)射技術方案，垂直空中發(fā)射技術具有以下優(yōu)點：

飛機人員更安全。飛機和火箭相距數(shù)百米，機箭之間用牽引繩連接，一旦火箭發(fā)生故障，機組人員可以隨時切斷繩索，確保人員安全；如果發(fā)動機故障，可以隨時關閉或者卸載推進劑。

推進劑操作更安全。推進劑分開存儲在VALS 裝置的加強背結構中，在發(fā)射之前，可以將推進劑自動加注到運載火箭中，不僅減少了推進劑的揮發(fā)量，同時提升了安全性。

▲ 拖曳式垂直空中發(fā)射起飛方案

▲ 拖曳式垂直空中發(fā)射降落方案

火箭設計更靈活。運載火箭設計不再受到載機約束，可以掛載火箭的最大重量達到90.7 噸，且直徑和長度不受限制，VALS 裝置可以適應固體、液體或者固液混合的不同動力類型的火箭，同時由于VALS 裝置具有承載能力，從而簡化了火箭結構設計。

彈道更優(yōu)化。VALS 裝置可以提供最佳的發(fā)射角度，有利于減小彈道最大動壓和降低姿控能力需求，并提升入軌能力。

發(fā)射成本更低。VALS 裝置的成本為滑翔機的二分之一，新研客機的四分之一，且完全可重復使用，在點火和發(fā)射過程中不會被損壞，牽引飛機也不需要永久性改裝。

分析與討論

安全性是空射技術最核心的問題。美國開展空射技術研究已有60 多年，卻只有飛馬座獲得了成功，即便算上2021年1月成功入軌的運載器一號，也不過僅有兩型空射火箭。從1968年美國X-15 項目結束后，從來沒有進行過液體火箭的空中發(fā)射，就在2007年即將進行快速到達號火箭飛行試驗的前夕，海射火箭“天頂-35L”在浮動發(fā)射臺上爆炸，雖然沒有人員傷亡，但還是動搖了當局的決心，導致快速到達號液體火箭空射試驗的終止，也是美國當局始終對空射技術的推進較為緩慢的主要原因。所以，空中發(fā)射技術最核心的關鍵是安全性。

▲ 垂直空射撬（VALS）各方向視圖

外掛式液體動力安全性有所突破。采用垂直空中發(fā)射技術（VAL）是為了規(guī)避內(nèi)裝液體推進劑的安全隱患，然而2021年維珍軌道公司的液體火箭運載器一號成功實施了空中發(fā)射，不同于快速到達號火箭，運載器一號的動力系統(tǒng)采用了液氧煤油推進劑，機箭匹配方式為外掛式方案，盡管還不能完全解決內(nèi)裝式的安全性問題，但也突破了1968年以來液體運載火箭實施空中發(fā)射的空白，也說明美國在液體推進劑安全性控制和降低推進劑高空蒸發(fā)量等方面的技術已經(jīng)有所突破。

拖曳式空射技術已進入驗證階段。基于運輸機的空中發(fā)射技術經(jīng)過2003-2006年間的喧囂后似乎就銷聲匿跡，漸漸淡出了人們的視線，然而從國外零星的資料來看，空中發(fā)射技術的研究并未停止，轉向開展拖曳式空射技術研究：2012年申請了拖曳式垂直空射技術專利，2016年開展了拖曳式垂直空射技術撬裝置1/32 縮比模型的地面試驗及原理性驗證，雖然并沒有公開啟動正式的工程項目，但是隨著技術成熟度的不斷提高，基于運輸機的空射技術項目進入實施階段存在可能性?！?/p>