飛行器空基發射運載火箭技術研究

涂良輝，楊 昆，王 英，王 直，溫智翔，張方成

（中航工業洪都, 江西 南昌330024）

0 引 言

傳統火箭發射方式是在固定的發射場發射，發射地點、發射窗口等受到很多限制。 而采用飛行器空中發射運載火箭則可以在任意的空域、 任意的時間發射，具有自主性、機動性、靈活性、快速響應和部署等優點，是一種比在地面發射火箭更便宜、簡單的方法。 目前，作為新興航空航天技術，飛行器空基發射運載火箭越來越受到各國高度重視。

本文綜述了國外飛行器空基發射運載火箭的現狀， 對飛行器空基發射運載火箭的技術及其難點進行了梳理， 并分析了飛行器空基發射運載火箭的力學問題。

1 國外空基發射運載火箭現狀

1.1 美國

美國于上世紀80年代末，放棄了部分的原有大型軍事計劃， 開始研制具有一定經濟意義的民用項目，如圖1 為軌道科學公司的L-1011 運輸機空射固體小型運載火箭“飛馬座”。 運載火箭“飛馬座”采用的吊掛式水平投放發射技術已經過了多次成功發射，“飛馬座” 是迄今為止世界上唯一投入商業運營的空射運載火箭。 “飛馬座”運載火箭的成功發射，打開了飛行器空基發射技術實用化的成功之門。

圖1 軌道科學公司的L-1011 運輸機空射“飛馬座”運載火箭

1.2 前蘇聯/俄羅斯

蘇聯解體前， 南方設計局曾設想設計一種采用以安-124CK 為載機、運載火箭為固體燃料火箭發動機、 兩種改進的控制裝置和一個整流罩配套而成的空射運載火箭系統， 該項目由于前蘇聯解體而沒有最終完成。 原來研發洲際導彈的設計局在前蘇聯解體后相繼提出了許多運載火箭方案， 其中包含了空基發射方案， 但都由于高額的研發費用和巨大的空基發射技術難題而被擱置。 俄羅斯致力于改變其沒有實用化空基發射運載火箭的狀況，在1999年提出全力研發“飛行”號空基發射運載系統（如圖2），并改裝了空中載機安-124 運輸機和建立了空射航天中心。 “飛行”號的發射費用明顯低于地面發射，具有極強的競爭力。

圖2 “飛行”號空基發射運載系統示意

2 空基發射運載火箭優勢

運載火箭的發射有多種多樣， 其中按發射基點主要分為陸基發射和空基發射兩種。

2.1 陸基發射運載火箭

陸基發射是以陸地作為運載火箭發射基點的發射方式。 陸基發射運載火箭雖然具有技術成熟和使用難度低的優點，但是還存在以下問題：

1）對地面發射基礎設施依賴性強；

2）發射準備時間長；

3）發射窗口少；

4）運載火箭燃料、能量消耗大；

5）發射費用昂貴。鑒于上述問題， 各國工程師們開始重點研究空基發射等其他更加靈活的發射方式。

2.2 空基發射運載火箭

空基發射運載火箭是指以飛行器(大型貨運飛機、軍用運輸機、戰略轟炸機或是某些特種航空器)為平臺將運載火箭攜帶到高空后釋放分離， 獲得正確姿態后，運載火箭發動機點火并進入空間軌道。

按照運載火箭在飛行器上的裝載方式， 空基發射運載火箭的方式主要分為背駝式、 吊掛式、 內置式、 拖曳式、 空中加油式和氣球或飛艇空中發射六種。 其中吊掛式是目前最為成熟的空基運載火箭發射方式， 氣球或飛艇空中發射方式僅處于概念設想階段。

高空發射運載火箭方式可以有效消除或減輕陸基發射的種種不足，具有很多獨特優勢：

1）對地面發射基礎設施依賴性低

地面發射需要龐大基礎設施， 精心規劃排定整個發射流程，充分考慮發射場及落區的安全性。 空基運載火箭可以在空中進行發射， 因此對地面基礎設施依賴度很低。

2）縮短發射準備時間

由于飛行器空基發射運載火箭不需要原有的地面發射準備過程，因此可以大幅縮短發射準備時間。

3）發射條件靈活

由于實現了高空發射， 因此氣象條件帶來的影響遠小于常規地面發射方式， 而且可以做到隨時需要隨時發射。

4）減少發射燃料

飛行器給運載火箭提供了一定的初始速度和高度，可節省運載火箭的推進劑消耗，減少發射燃料。

5）大幅度降低發射費用

飛行器可以在一般機場起降， 不需要建設龐大的地面配套設施，大為縮減了人員數量，從而大大降低了發射費用，空中發射火箭具有很好的經濟性。

3 空基發射運載火箭技術及其難點

3.1 空基發射運載火箭技術

1）內置式重裝空投技術

在準備投放階段， 運載火箭平臥在貨臺上的支架內。 一旦接收到授權投放指令，飛行器將解鎖貨臺與貨艙緊固連接裝置。 保險在牽引傘釋放機構的作用下打開，投出牽引傘。 均勻張開連接到貨臺上的兩具牽引傘， 這時貨臺在巨大牽引力作用下被拖著沿導軌從尾艙門加速滑出，隨之張開三具減速主傘；當下降到一定高度時， 運載火箭的姿態將被調整到接近垂直位置， 爆炸螺栓將環抱運載火箭的連接裝置立即切斷，運載火箭分離，一級發動機隨即點火，在推力作用下運載火箭開始爬升。

2）內置式重力空射技術

發射前，飛行器在某一高度巡航飛行。 接到準備發射指令時，飛行器就會完成裝載工作，處于待發射狀態。 一旦飛行器收到授權發射指令，就會打開尾艙門，并調整斜面艙門使其保持在水平狀態。 緊接著機頭上仰一定角度飛行， 把連接到一級發動機噴管外壁的小型穩定傘釋放出來， 并解鎖緊固運載火箭的連接裝置， 這樣運載火箭在重力的作用下將會沿著發射托架的傳送輪胎快速滑動， 幾秒鐘后運載火箭從飛行器艙門中滑出。 運載火箭的尾部先落下，在重力作用下運載火箭會繞重心作俯仰運動， 尾部向前頭部向后， 穩定傘會產生適當的阻力來達到控制運載火箭所作的俯仰運動的目的， 使其以較低俯仰角速率運動；當運載火箭處于接近垂直位置時，穩定傘的傘繩將被切斷，一級發動機點火，在推力矢量控制系統的作用下運載火箭保持穩定狀態， 并按預定運載火箭軌跡飛行。

3）吊掛式懸吊-系索空投技術

運載火箭外掛在飛行器的機腹下， 運載火箭的重心處有一個掛載連接點， 其頭部也有一個系索連接點。 發射前， 空中載機攜帶運載火箭爬升到一定高度， 保持水平巡航飛行， 連接到一級發動機噴管外壁的小型穩定傘會先展開， 緊接著解鎖斷開連接運載火箭重心處的掛載裝置， 運載火箭尾部先于頭部落下， 連接頭部的系索經過一個短暫的延時后再斷開， 運載火箭在重力的作用下會產生俯仰力矩， 接下來的過程與重力空射技術的這個階段完全一樣。

4）三種發射技術的比較

“教材無非是個例子”。教材中出現的“生活主題”“生活場景”大多不是學生現實生活中原汁原味的生活場景。因此，教師應充分挖掘學生的生活，調動學生的已有經歷，從熟悉的事物、場景入手，讓呈現內容能觸及學生的內心，形成感動體驗，達成價值目標。

內置式重裝空投技術要實現運載火箭的牽引出艙和減速降落， 需要使用技術難度高且復雜的降落傘系統， 貨臺/支架同時掉落將會給地面帶來安全隱患； 特別是內置式重裝空投技術損失了運載火箭的初始高度和速度， 在一定程度上抵消了空基發射技術的優點。 而重力空射技術可以有效地避免以上缺點，是一種最簡單、安全、可靠和高效的空基發射技術。 懸吊-系索空投技術則利用延時和重力作用，使投放的運載火箭在飛行器后方實現了穿越， 具有簡單、安全、可靠、高效和經濟等優勢。

3.2 空基發射運載火箭難點

1）運載難度高

裝載具有較大尺寸和重力的運載火箭， 對飛行器的承載能力要求很高， 同時也要仔細考慮飛行器與運載火箭的匹配性。 這不僅要求具備大型飛行器，還須具有改裝飛行器和運載火箭的能力。 運載火箭裝載后，由于其運載火箭體積和重量都較大，會在很大程度上限制載機的飛行靈活性。 特別是當運載火箭外掛在飛行器上時， 將對飛行器的承載能力要求更高。

2）投放分離難度大

飛行器飛行速度越快，投放高度越高，運載火箭具有的初始速度就會越高，所需要的燃料也就越少。但是飛行器速度高、運載火箭重量大，這不僅要求飛行器具有較高的承載能力， 而且大型運載火箭在投放后，又會突然減輕飛行器的重量，使飛行器處于失控的危險狀態中。

3）控制運載火箭的空中姿態難度大

運載火箭分離后，必須逐步調整它的姿態，只有在正確的方向才能實現發動機點火， 這個過程涉及的技術難度非常高。

4）制導難度大，研發費用高昂

陸基發射的發射點坐標經過精確測量， 而空基發射的運載火箭屬于動基座， 要掌握動基座下慣性系統的初始對準技術具有很高的難度。 空基發射運載火箭時，由于飛行器發射點的坐標無法精確確定，使得運載火箭進入發射前的定位信息無法準確獲取， 是飛行器空基發射運載火箭難于陸基發射的重要因素。

4 空基發射運載火箭受力分析

目前飛行器空基發射運載火箭主要是利用重力的影響，再輔以小型穩定傘來調整運載火箭姿態，以便達到合適的點火姿態。 運載火箭從飛行器上分離，無論是采用內置式重力空射技術還是吊掛式懸吊-系索空投技術， 二者都用小型穩定傘來輔助調整運載火箭的姿態。 小型穩定傘的受力分析如圖3 所示。

圖3 小型穩定傘的受力分析

由一般運載火箭結構和重量分布可知， 運載火箭后半部充滿燃料， 所以運載火箭的重心位置靠近其尾部。

小型穩定傘的作用點一般位于運載火箭尾部的某一點，令其與運載火箭軸線距離為Zp，距離重心為Xp，根據阻力產生的原理，小型穩定傘產生的阻力可表示為F=CDSAq，其中F 為傘的載荷，q 為動壓，CD為傘阻力系數，SA為傘面積。 小型穩定傘產生的傘阻力可分解為運載火箭在三個體軸上受到的力和力矩，見式（1）。

進一步將小型穩定傘引起的六個力與力矩分量轉化為無量綱系數的形式，表達式如式(2)所示。

由上式可知， 小型穩定傘對運載火箭在俯仰和偏航方向都能產生一定的力矩作用， 考慮到實際情況中，運載火箭除了受垂直方向的空氣阻力，還可能受偏航方向的氣流影響， 故穩定傘對運載火箭進一步的運動起到了很好的調節作用， 有助于運載火箭更好的達到所需要的姿態。

運載火箭在空中運動， 受沿運載火箭分布的空氣阻力擾動（如圖4）。重心前后兩部分的空氣阻力作用力分別對重心取力矩，易知f1·x1＞f2·x2，故運載火箭尾部有向下擺動的力矩。 由于傘阻力F 的作用，使得原本難以控制的擺動狀態， 通過小型穩定傘來控制運載火箭尾部向下擺動幅度的大小， 使運載火箭處于一個穩定可靠的狀態。

圖4 運載火箭的空氣阻力擾動示意

最終運載火箭在小型穩定傘力矩的輔助作用下，逐漸達到穩定狀態，在進行微調之后，拋去小型穩定傘，點火發射，實現了飛行器空基發射運載火箭的目的，如圖5 所示。

圖5 運載火箭逐漸達調整到點火姿態

5 結 語

與陸基相比， 飛行器空基發射運載火箭由于不需要原有的地面發射裝置和準備過程， 可以有效地降低發射成本并大幅縮短發射準備時間； 由于實現了高空發射， 因此受氣象條件影響遠小于常規地面發射方式，可以做到隨時需要隨時發射。 鑒于上述優點， 飛行器空基發射運載火箭技術已經得到了各航空航天大國的高度重視， 了解和掌握該技術具有重要的軍民兩用價值。

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