“平流层发射”大型载机成功首飞的分析

刘琳 （北京宇航系统工程研究所）

2019年4月13日是个值得航空史铭记的日子，世界上私营航天企业的“平流层发射”（Stratolaunch）大型载机首飞成功，一举创造了“翼展最长、挂载能力最大、双体机、火箭专用”等多项航空史记录。这架专门为航天应用而研发的飞机，在创造历史的同时也为大型空射运载火箭的应用铺平了道路。本文结合此次首飞试验情况，对其特点进行了梳理，对其项目进展进行了回顾，并对其影响进行了分析。

1 平流层发射大型载机首飞分析

首飞情况

2019年4月13日，世界上最大的飞机“平流层发射”在美国加利福尼亚州的莫哈韦沙漠顺利升空，其机身及主翼由复合材料制成，采用双机身设计，翼展长度达到117m，配备了6台波音747飞机的同款发动机，飞机起落架共有28个机轮。起飞后，以304km/h（马赫数约为0.26）的飞行速度在莫哈韦沙漠上空5182m的高度连续飞行了2.5h，随后返回莫哈韦航空航天港，安全着陆，成功完成首飞。

这架翼展超过标准足球场的移动发射平台，将被用于直接从万米高空发射火箭，提供一种比陆基发射运载火箭方式更为灵活、更多选择的航空式太空进入方式，也为近些年热议的低成本发射技术提供了新途径。

首飞意义

（1）翼展第一、质量第二

该飞机采用独特的双机身设计，两个机身分别长约73m，翼展达到创纪录的117m，超过标准足球场105m的长度，是长期保持“世界最大飞机”纪录的安-225运输机的1.32倍，达到了全球最大民航客机—空客A380-800客机的1.47倍，是航空史上翼展最大的飞机。起飞质量达到590t，达到了安-225运输机质量的92%，是空客A380-800飞机的1.05倍，排名世界第二。

平流层发射载机与其他大型飞机比较

平流层发射载机的主要参数

（2）外挂能力世界第一

根据官方数据，该飞机在两个机身之间的“中心翼”部分，最多可以搭载227t的有效载荷，相当于该飞机能够同时承重3发长征11号运载火箭，或者四架波音737飞机，或者一百多辆奥迪A6轿车。这样的惊人的外挂能力直接决定了十分可观的运载能力，平流层发射系统公司（Stratolaunch System）于2018年8月推出的四型空射火箭方案，最多可以将6t的有效载荷送入预定轨道，并计划在首次入轨发射任务中一次性携带3枚飞马座空射火箭，完成3个不同的发射任务。

项目发展回顾

2011年12月，平流层发射系统公司成立后，开始研制平流层空射运载火箭系统，委托空间探索技术公司（SpaceX）研制空射运载火箭、斯凯尔德复合材料公司建造载机、Dynetics公司提供运载火箭与载机的对接和集成系统。

2012年11月，平流层发射系统公司宣布与SpaceX公司解除合作关系。之后，平流层发射系统公司委托“飞马座”（Pegasus）火箭研制方轨道科学公司（Orbital Sciences Corporation）完成了运载火箭的初步设计和系统运行所需的操作程序。

2013年6月，平流层发射系统公司与轨道科学公司正式签订合同，由轨道科学公司负责平流层空射运载火箭系统的系统工程和空射运载火箭的研发、制造、集成和测试等全套工序。

2017年6月，该飞机建成，进入地面和飞行测试阶段，先后完成了加油测试、发动机测试等工作。

2018年8月，平流层发射系统公司推出了四型空射火箭方案，包括飞马座XL火箭、中型运载火箭、重型运载火箭和航天飞机。2018年10月，平流层发射载机在美国莫哈韦航空航天港完成了一次中速滑行试验。

2019年4月，平流层空射系统公司完成了载机的首次飞行试验，并计划在后续任务验证载机发射飞马座XL空射火箭的能力。

2 “飞马座”空射运载火箭项目

美国“飞马座”空射运载火箭于1986年提出方案设想，1990年4月5日进行首次飞行试验，是世界最早投入商业运营的空射运载火箭。“飞马座”空射运载火箭采用“吊挂式”的机箭组合方式，早期的“飞马座”吊挂在改装的B-52轰炸机机翼下，后期改为吊挂在L-1011重型运输机腹部。

“飞马座”空射运载火箭有两个基本型号：标准型和XL型，均为三级固体运载火箭。标准型“飞马座”起飞质量18.886t，全长15.5m，直径1.27m，翼展6.7m。飞马座XL型是在标准型的基础上通过加长一、二级和提高性能发展而来的，火箭起飞质量约为23.13t，全长16.9m。其投放高度约为12km，投放速度Ma为0.8，200km近地轨道运载能力约为443kg。

飞马座XL空射运载火箭组成

“飞马座”运载火箭飞行过程图

至今，“飞马座”空射火箭系列已经完成43次发射任务，将80余颗卫星送入太空。

3 对发展空射运载火箭的分析

大中型空射运载火箭成为可能

悉数目前在飞以及在研的空射火箭：“飞马座”空射火箭起飞质量18.8t，飞马座XL空射火箭起飞质量23.1t，运载器-1（Launcher-1）空射火箭起飞质量21t，机载发射地轨道卫星系统（ALASA）空射火箭不足5t。俄罗斯的飞行号空射火箭规模较大，为80～100t。这些火箭所用的载机平台虽然都经历了不同程度的改进和性能提升，但是载机的空投能力仍然有限。“平流层发射”载机的横空出世改变了一切。第一，大幅增加了载机的挂载投放能力，以伊尔-76运输机为例，起飞质量190t，载荷质量50t，载荷质量与起飞质量之比为0.26；平流层发射载机起飞质量590t，载荷质量227t，载荷质量与起飞质量之比为0.38，提高了1.5倍。第二，挂载空间不受限，能够直接挂载3枚飞马座XL火箭，单发飞马座火箭的三角翼翼展为6.7m，也就意味着可挂载空间的横向距离不小于20m，同时载机的离地高度为15m，巨大的尺寸空间使大中型空射运载火箭的挂载不受限制。

上述数据表明，未来的空射火箭质量规模可以是“飞马座”的10倍，运载能力是“飞马座”的13.5倍，火箭数量是现有的3倍。这些将使空射火箭的投送能力大幅增加，能够轻松完成单星发射以及多星部署任务，可以真正参与到未来主流发射市场的竞争中。

虽然平流层发射系统公司目前暂停了大型空射火箭的研制，但是相信在可以预见的将来，还会再度刷新空射火箭的世界记录。

空射运载火箭将发展定制载机

从20世纪80年代末，美国开始将空射导弹技术应用于运载火箭领域，使用B-52轰炸机，L-1011重型运输机外挂发射“飞马座”小型空射火箭，俄罗斯也曾经研究过利用安-124CK、伊尔-76TD、安-124或安-225货运飞机作为发射平台发射火箭。2018年11月，英国维珍轨道公司（Virgin Orbit）也利用改造后的波音747飞机挂载运载器-1空射火箭完成了挂载飞行，并取得了成功。

纵观世界范围内的空基发射载机，包含了战斗机、轰炸机、运输机、民航客机等各式各样的飞机，尽管成熟的飞机使得空中发射成为可能，但也存在极大的局限性。平流层发射载机作为专门为空射火箭研制的载机，最大空投能力接近227t，空间几乎不受限制，使空射火箭的设计更为自由，极大拓宽了空射火箭的应用范围。更为可贵的是，平流层发射载机颠覆了空射系统依据飞机设计火箭的思路，转为依据火箭需求定制平台，使飞机平台从“兼职”走向“专职”，从而为火箭的空中发射提供更好的发射条件，虽然此次首飞的飞行高度还没有足够高，飞行速度还没有足够快，但是它却是全世界首型为发射火箭而研制的飞机。

空射火箭或将改变太空经济学

保罗·艾伦曾说：“如果我们能够改变太空发射的经济学，我们就可以改变太空旅行和探索”。改变太空发射的经济学，核心就是要降低卫星发射成本。让我们来计算一下空射火箭到底能赚多少钱。

以“飞马座”火箭为例，其在空中发射时的运载能力为227kg（740km极地轨道），而采用同样的三子级结构，直接从地面发射运载能力仅为30kg。“飞马座”火箭通过空中发射能够增加197kg载荷质量，如果以每千克2万美元的发射价格计算，则增加收入394万美元，折合人民币2647.68万元。如果一次发射3枚，则收入倍增。

对于大中型空射火箭更为可观，我国的长征二号丙运载火箭起飞质量为242.5t，近地轨道运载能力为4t；平流层发射系统重型运载火箭起飞质量约230t，近地轨道运载能力6t，较长征二号丙火箭载荷能力增加了2t，以每千克7000美元发射价格计算，增加收入约9408万人民币。

俄罗斯方面也曾对空射成本进行了估算，飞行号空射火箭每次发射费用约2300万美元，每千克有效载荷的发射成本为5000～6000美元，低于海上发射系统的7000～9000美元，更远低于地面发射的25000～30000美元，具有极强的竞争力。

空射火箭创造了全新的太空进入方式，使卫星发射航班化，如果未来进入太空就像如今坐飞机一样普遍，那么它改变的不仅仅是发射价格，更是改变人们对太空的认知。

4 结束语

历经多年发展，美国空射运载技术在轰炸机、运输机、战斗机、民航客机以及双体机等多种平台上不断拓展，投放速度从低亚音速到高亚音速，再到超音速上不断深入，采购厂商也涵盖了军方和多家私营企业。今日，“平流层发射”载机的首飞成功再度为大型空射运载火箭的未来发展开疆辟土，使空射火箭在运载能力上真正参与到主流商业发射市场的竞争中。