[科普中国]-空中发射

国外空中发射技术

美国空军航天司令部(AFSPC)于2003年在肯尼迪航天中心的研究报告中将空中发射作为未来理想的低耗、快速响应航天运输的关键技术。迄今为止，美国1990年投入使用的“飞马座”火箭是唯一正式商业发射运营的空射运载系统。目前美国的空中发射研究主要集中在F-15、C-17、B-1和B-52几个机型上。早期“飞马座”的载机为B-52轰炸机，后来轨道科学公司又采购了L-1011运输机。投放时，飞机高度约11900m，飞行马赫数0.8。借助于特别设计的三角翼提供的气动力，“飞马座”火箭能够保持稳定姿态，将有效载荷送入预定轨道。

俄罗斯于1998年提出以An-124运输机为载机，在空中发射两级运载火箭的空中火箭计划。马可耶夫设计局提出了基于“静海”3A或“里夫”MA运载火箭的空中发射空间运输系统，使用伊尔-76MD、An-124或安-225货运飞机作为发射平台。火箭放在机身内部，空中投放，降落伞减速，然后点火。“静海”3A具有600kg以上的低地轨道有效载荷能力，而“里夫”MA的有效载荷能力可以接近1000kg。

2004年俄罗斯空中发射公司改装4架An-124-100型运输机用于航天发射的申请得到俄政府批准。根据方案，俄罗斯空中发射将采用改装后的An-124-100型鲁斯兰远程运输机作为载机，携带长30m、重100t的“飞行”号两级运载火箭火箭飞至距地面11km的高空。当飞机进入预定位置后，飞机尾部的舱门将被打开，形成一个“斜坡”。被安装在机舱中的“飞行”号火箭的尾部将暴露在舱口。此后，飞机机身会逐渐竖起。当机身与水平线呈760夹角时，机舱中的大功率活塞将把火箭推向舱口，使其顺“斜坡”滑出。与此同时，运输机将作出紧急跃升的特技飞行动作，使火箭与飞机快速分离。之后，火箭上的降落伞会自动打开，以稳定火箭的飞行姿态。待其稳定飞行6s后，降落伞装置将与火箭分离，一级火箭发动机会产生约190t的推力，使“飞行”号以3．8km/s的速度飞向预定的太空轨道。该研制计划需投入经费1．3亿美元，预计建成后，将有能力将3t的有效载荷送入近地轨道，每千克有效载荷的发射成本低于5000美元。1

关键技术载机作为第一级运载器，载机的性能指标直接影响到上面级的运载能力。首先是载机的最大起飞质量，这关系到载机能装载运载火箭与有效载荷的质量。同时还要考虑载机装载耗油的多少，越多则飞行半径越大，可以选择的发射点就越多。在预先设计时，要予以综合考虑。其次是载机的最大飞行速度和最大使用升限。在上面级火箭与载机分离时，载机的飞行速度和高程越高，其带来的速度增量也高，对火箭运载能力的提高是很显著的。1

运载火箭由于空中运输空间和载重的限制，需要选择合适的火箭尺寸和质量；为了保证运输和发射过程的安全性，需要对现有地面的低温加注以及液压系统进行改进。通常运载火箭会采用固体推进剂，也可以采用其他火箭燃料。1

载机与火箭的组合方式根据运载火箭在运输途中以及发射时与载机的相对位置，可行的组合方式可分为3种：

①背驮式，火箭固定在载机主机体正上方，尾部朝向载机尾翼；

②肚装式，火箭装载于载机机舱内，尾部朝向舱门；

③下挂式，火箭悬挂于机腹或机翼下方，尾部朝向载机尾部。应选择适用于载机和运载火箭的组合方式，同时要考虑经济实用性。1

运载火箭姿态稳定技术在地面发射时，运载火箭在点火前处于稳定的姿态。但是对于空中发射，运载火箭在与载机分离后点火前的一段时间内，姿态处于不受控制的状态。采用何种方法保持运载火箭的姿态稳定，以使火箭保持准确的射向和合适的姿态点火，是非常重要的。1

运载火箭制导技术对空中发射任务来说，能够给出卫星目标轨道，但不能确定载机对运载火箭实施发射的地点、时间、状态，因而不能给出运载火箭的标准弹道和关机时间等参数。运载火箭的点火状态只能由实时测量得到。这就需要运载火箭具有实时的弹道解算和自主制导能力。1

测量控制技术首先，空中发射的机动性使得能够利用到的地面测控能力是未知的；其次，测控系统需要对发射过程进行全程监视，必要时进行合理的安控；最后，对点火点运载火箭参数精密测量。考虑到以上三点需求，应研究多方面的测量控制手段。1

相关配套技术例如，为了加大飞行半径，提高发射点选择面的空中加油技术、空中发射测试技术、载机运载火箭分离技术等。1

特点小卫星和微型卫星较小的发射规模加上它们小型化的电子设备为空中发射提供了一个很好的机会，并且这种发射方式价格低廉、风险陛小。空中发射技术不必受到发射地点的限制，可以在世界的任何地点、采用多种射向发射，与地面固定发射场相比，较大程度地拓展了航天器的轨道选取范围。由于较短的任务准备时间，发射点射向的选择以及运载器具有的初速和高度，使得在相同运载能力下，与固定发射场相比大大降低了发射成本。应用飞机作为发射系统的第一节不仅能够减少火箭各节的速度需求、降低气动阻力、减少大气压力的影响，还可以从使用现有的相应支持设施中获得利益。由于这种发射方式其发射位置相对分散，这样就为任务的操作带来了很大的灵活性。1

这种发射方式活动空域大，机动性好，生存能力和攻击能力强，广泛应用于空地、空空、空舰和空潜导弹，也可用于发射战略弹道导弹和巡航导弹。空中发射方法通常有两种：一是直接从载机上点火发射，二是先从载机上弹射或投放，然后发动机点火。机载发射装置按结构可分为导轨式和管式；按安装位置可分为机外式、机内式和混合式。2

相关试验考核机载导弹、火箭弹空中发射的可靠性、安全性等试验。空中发射试验应在大量地面发射试验和空中挂飞试验之后进行，试验多采用发动机模拟弹（带真实发动机，其气动外形和重量、重心与真弹相同），在规定的几种典型高度、速度和飞行姿态下发射。空中发射要检查的内容有：

1、发动机点火可靠性；

2、导弹离机后穿过飞机流场区的飞行轨迹和飞行稳定性，是否与飞机结构碰撞；

3、发动机燃气流对飞机发动机的喘振、停车及腐蚀等影响，并检查飞机防喘系统协调性；

4、发射瞬间对载机姿态及飞机操纵性的影响；

5、发射瞬间的燃气压力、音响和振动对其他悬挂物和机载设备的影响。3

空中发射速度记录美国北美航空公司的X-15A-2型飞机是世界上最快的固定翼飞机。1964年6月25日首次飞行。这是在原来的X-1SA型飞机的基础上，经过改造的新机型。由一台液态氧一氨火箭推动系统驱动。飞机骨架的烧蚀材料，曾经受过30000°F的高温。其着陆速度达到过时速389．1公里。1967年10月3日，美国空军的威廉·J·奈特少校(1930年生)驾驶这架飞机飞行，最快的时速达7274公里(6．7马赫)。

1963年8月22日，约瑟夫·A·沃克(1920-1966)驾驶X-15A型飞机做飞行表演。在美国加利福尼亚州爱德华兹空军基地上空飞行：飞行高度达107960米。1968年10月24日，进行了最后一次这种飞行表演。之后这个表演项目就被取消了。

美国国家航空和宇宙航天局罗克韦尔轨道式航天飞机“哥伦比亚”号，在1981年4月12日从佛罗里达州卡纳维拉尔角肯尼迪宇航中心发射升空。由美国海军中校约翰·W·扬指挥，罗伯特·L，克里平操纵。自从1972年以来，研制这架航天飞机已耗资99亿美元。“哥伦比亚”号的主机关闭后，时速为26715公里。打破了所有固定翼飞机的飞行纪录。在122公里高空重返大气层后，“哥伦比亚”号经受了2160W的高温。1981年4月14日，在美国加利福尼亚州罗杰斯旱湖着陆时，时速达347公里。其返航滑行重量为95吨。

在国际航天联合会的一项代号为“P”的新类目中，“哥伦比亚”号航天飞机是目前续航时间最长的纪录绝对保持者。致1983年11月28日，第6次太空飞行后着陆时为止其续航时间为10天7小时47分23秒种。航天飞机上带有STS9“太空实验室厂号和6名宇航员。1986年1月28日，“挑战者”号航天飞机在卡纳维拉尔角发射升空后不久炸毁。

“亚特兰蒂斯”号航天飞机，保持了飞行高度纪录。1985年10月3日，在代号为STS51J的首次飞行中，其飞行高度达515公里。

由航天飞机运载并送入轨道的物质最大重量是118697公斤。1984年11月8日，在代号为STSSlA的飞行中，“发现”号航天飞机发射升空，创造了这项纪录。4