基于运输机的空射技术

文/ 刘琳

本世纪初，美国开展了基于现役军用运输机为平台的空中发射技术研究，在国防高级研究计划局（DARPA）的资助下，基于C-17飞机平台，以快速到达号两级液体火箭为研究目标，提出了内装式重力空中发射技术（GAL）方案，历经概念阶段（2003.6-2003.9）、第一阶段（2003.9-2004.9）、第二A 阶段（2004.9-2005.10）、第二B 阶段（2005.10-2006.7）的工作，完成了17 次发动机试车和3 次空中投放试验，同期，项目组开展了系索空投（t/LAD）方法研究，在2005年完成了3 次缩比空投试验。但受到海上发射爆炸事故影响，DARPA 担心飞机内装液体火箭的安全性风险，项目在2007年被取消。内装式重力空中发射技术（GAL）研究终止后，项目组提出了火箭外置于C-17 飞机的拖曳式垂直空中发射技术（VAL）方案，并于2012年申请技术专利。

空射技术的起源

把载荷从地球送入轨道的最大挑战来源于地球大气。在200 千米高度近地轨道的运行速度为7784 米每秒，但由于存在地球大气，如果从地面实施航天发射，为了克服经过大气的重力损失、阻力损失、转向损失、大气压力损失等，火箭所需的总速度增量达到9000 米每秒到9400 米每秒；同时，发动机在真空状态下可以获得最佳性能，任何外部的环境压力都会造成推力损失，假设推进剂的真空比冲可以达到450 秒，其海平面比冲仅可达到360秒～370 秒水平。经过数十年火箭技术的发展，要大幅提升动力性能已经愈发艰难，降低箭体结构重量也几乎到达极限。于是，航天工程师们提出了另一种思路——提升发射高度：将发射高度从0 千米提升到10 千米，火箭所需速度增量减少近1000 米每秒，也就意味着从10 千米高空发射火箭，与地面发射相比，可以避免60%的速度损失。这正是自上世纪50年代，美国就致力于开展空射导弹、空射运载火箭等项目研究的最大动力——空中发射技术可以有效地改善火箭发动机系统性能，并减少运载火箭上升段的速度损失。此外，载机还可以飞到任意轨道倾角所对应的纬度，也提升了任务实施的灵活性。

▲ 重力空中发射技术

▲ 存储发射托架（SLC）

猎鹰计划

2003年6月，美国国防高级研究计划局（DARPA）举办了为期6 个月的小型运载火箭（SLV）研究竞赛——猎鹰计划（Falcon），旨在寻找针对小型卫星的快速响应发射技术。通过“九进四”、“四进一”的两轮选拔，最终空中发射公司（Air Launch LLC）胜出，被授权开展2B 以及2008年的2C 阶段的演示验证工作，并获得1780 万美元的资金支持。

▲ 释放链（CRS）

猎鹰计划的具体技术指标是：在24小时内，将重453 千克的卫星送入轨道倾角为28.4°、高度为185 千米的近地轨道，有效载荷的尺寸包络为101.6 厘米×152.4 厘米，发射费用不超过500 万美元。

快速到达项目

美国空中发射有限责任公司（AirLaunch LLC）对标猎鹰计划指标，设计了快速到达号空射火箭（QuickReach），运载火箭重33 吨，采用两级液体构型，整流罩尺寸能够满足不大于907 千克重量载荷的安装空间。为了降低发射成本，快速到达号火箭采用简单和便宜的蒸汽加压替代传统泵式加压系统，推进剂采用可以自增压和易操作的液氧丙烷，结构布局上使用了“俄罗斯式”的套装方式，将二级发动机安装在一级丙烷贮箱内，取消级间段实现全箭的紧凑布局，降低了全箭重量和成本。

重力空中发射技术（GAL）

内装式重力空中发射技术方案是：将快速到达号液体运载火箭内置于未经改装的C-17 飞机货舱内，飞行到公海区域后，机身调整到6°仰角，调整货舱压力，打开尾舱门，抛出降落伞；接到发射命令后，火箭依托自身重力，在稳定伞的辅助作用下滑出机舱，大约3 秒后，运载火箭俯仰角达到70°～80°时，一级发动机实施空中点火。

重力空中发射系统主要由3 个部分组成，分别是存储发射托架、释放链和C-17 运输机。存储发射托架由两排轮胎组成，轮胎采用直径为44.5 厘米的航空商业轮胎。该轮胎可以在海拔13.7 千米高度下连续工作。存储发射托架上共计84 个轮胎，最后三排轮胎采用双倍的数量布局（即12 个轮胎）。存储发射托架重量为3.7 吨，可以兼容C-17 飞机的货舱地面轨道以及货舱内吊架系统的标准接口。发射前，存储发射托架和快速到达号火箭为整体贮存，满足长寿命、低成本和少维修的使用要求。

火箭由释放链系留固定在货舱内，链条为C-17 的标准链条，火箭分离时采用自动或者手动的气动解锁方式。在进行模拟箭空投试验时共用了12 根链条，火箭每侧6 根。

重力空中发射系统基于C-17 飞机的3 次模拟箭空投试验均非常成功：2005年9月，项目组在爱德华兹空军基地完成了空投22.7 吨模拟箭的试验；2006年6月，空投了29.5 吨试验箭，创造了C-17飞机投放的单体重量记录；2006年7月，空投32.7 吨的试验箭，再次刷新记录。

垂直空中发射技术

2007年，由于担心运载火箭在飞机内部或者附近发生爆炸，重力空射技术演示验证试验被叫停。同时，汲取了同年“天顶号”海射火箭的失利经验，研究团队提出垂直空中发射技术（VAL）方案，目的是采用飞机牵引垂直空射撬（VALS）装置的方式，实现在距离载机数百米之外进行火箭发射，提升空中发射的安全性。

拖曳式垂直空中发射技术方案是：以在爱德华兹空军基地实施发射为例，该空军基地的跑道长度为4572 米，VALS 装置携带运载火箭位于跑道的近端，载机与VALS 装置之间的牵引绳长度为640 米。C-17 飞机在滑跑670.6米后升空，48 秒后，飞机爬升到640米的高空，此时VALS 装置到达跑道的远端并离开地面。牵引绳长度需要根据跑道长度和飞机类型进行设计，以采用C-17 飞机为例，经过计算，不同长度的跑道与牵引绳的对应关系如表所示。

▲ 快速到达火箭示意图

▲ 空投试验箭示意图

▲ 地面跌落试验

▲ 全尺寸模拟出舱试验

▲ 垂直空中发射技术方案

跑道长度与牵引绳长度关系

当飞机拖曳着VALS 装置和运载火箭到达约7.6 千米高度时，VALS 装置通过旋转短翼结构调整发射姿态，达到预定发射姿态后5 秒，系统对发动机状态进行判断，如果动力系统正常，则由VALS 装置释放运载火箭完成空中发射。发射完成后，C-17 飞机携带VALS装置返回机场跑道，VALS 装置以3 米每秒的速度进场着陆，过程类似于舰载机在航母上的着陆方式。VALS 装置着陆时完成与牵引绳的分离，之后C-17飞机再绕场一周释放牵引绳，当飞机第三次经过机场跑道时，C-17 飞机降落。

垂直空射撬（VALS）装置外形类似于滑翔机，但是为了便于控制，取消了两侧滑翔翼，改用短翼布局，同时短翼结构可以在火箭发射前调整自身姿态，有利于获得更好的发射角度，提升系统入轨能力。VALS 主要由牵引绳、拖揽和主结构（含起落架）组成。

牵引绳由多股编织绳组成，强度相当于钢丝绳，但重量仅为相同强度钢丝绳的七分之一，如直径为7.62 厘米的绳索强度可达到340 吨力。牵引绳与飞机的连接共3 种方式，但从响应时间上看，采用连接到飞机舱内托盘的方式最为便捷，也是研究团队的首选方案。

拖揽连接在VALS 装置的短翼处，为Y 型结构，采用聚乙烯材料。

主结构（含起落架）通过调整尾部短翼可以使火箭的发射姿态达到60°或者垂直姿态。VALS 装置的主结构和起落架都是采用现有飞机方案改装，VALS 装置采用抗侧翻的设计，最大可承受倾斜角度为59°，远超过了波音737（侧翻角度44°）和一般小型飞机（侧翻角度31°）。经过估算，拖曳45.36 吨的火箭，VALS 装置所需要的重量是1.97 吨，且成本费用仅为滑翔机的二分之一，新飞机的四分之一。同时VALS 装置还有加强背结构，用于储存液体运载火箭所需要的液体推进剂。

相比于重力空中发射技术方案，垂直空中发射技术具有以下优点：

飞机人员更安全。飞机和火箭相距数百米，机箭之间用牵引绳连接，一旦火箭发生故障，机组人员可以随时切断绳索，确保人员安全；如果发动机故障，可以随时关闭或者卸载推进剂。

推进剂操作更安全。推进剂分开存储在VALS 装置的加强背结构中，在发射之前，可以将推进剂自动加注到运载火箭中，不仅减少了推进剂的挥发量，同时提升了安全性。

▲ 拖曳式垂直空中发射起飞方案

▲ 拖曳式垂直空中发射降落方案

火箭设计更灵活。运载火箭设计不再受到载机约束，可以挂载火箭的最大重量达到90.7 吨，且直径和长度不受限制，VALS 装置可以适应固体、液体或者固液混合的不同动力类型的火箭，同时由于VALS 装置具有承载能力，从而简化了火箭结构设计。

弹道更优化。VALS 装置可以提供最佳的发射角度，有利于减小弹道最大动压和降低姿控能力需求，并提升入轨能力。

发射成本更低。VALS 装置的成本为滑翔机的二分之一，新研客机的四分之一，且完全可重复使用，在点火和发射过程中不会被损坏，牵引飞机也不需要永久性改装。

分析与讨论

安全性是空射技术最核心的问题。美国开展空射技术研究已有60 多年，却只有飞马座获得了成功，即便算上2021年1月成功入轨的运载器一号，也不过仅有两型空射火箭。从1968年美国X-15 项目结束后，从来没有进行过液体火箭的空中发射，就在2007年即将进行快速到达号火箭飞行试验的前夕，海射火箭“天顶-35L”在浮动发射台上爆炸，虽然没有人员伤亡，但还是动摇了当局的决心，导致快速到达号液体火箭空射试验的终止，也是美国当局始终对空射技术的推进较为缓慢的主要原因。所以，空中发射技术最核心的关键是安全性。

▲ 垂直空射撬（VALS）各方向视图

外挂式液体动力安全性有所突破。采用垂直空中发射技术（VAL）是为了规避内装液体推进剂的安全隐患，然而2021年维珍轨道公司的液体火箭运载器一号成功实施了空中发射，不同于快速到达号火箭，运载器一号的动力系统采用了液氧煤油推进剂，机箭匹配方式为外挂式方案，尽管还不能完全解决内装式的安全性问题，但也突破了1968年以来液体运载火箭实施空中发射的空白，也说明美国在液体推进剂安全性控制和降低推进剂高空蒸发量等方面的技术已经有所突破。

拖曳式空射技术已进入验证阶段。基于运输机的空中发射技术经过2003-2006年间的喧嚣后似乎就销声匿迹，渐渐淡出了人们的视线，然而从国外零星的资料来看，空中发射技术的研究并未停止，转向开展拖曳式空射技术研究：2012年申请了拖曳式垂直空射技术专利，2016年开展了拖曳式垂直空射技术撬装置1/32 缩比模型的地面试验及原理性验证，虽然并没有公开启动正式的工程项目，但是随着技术成熟度的不断提高，基于运输机的空射技术项目进入实施阶段存在可能性。★