空中發射的“大鵬”：同溫層發射系統

文/張雪松

▲ 最終的發射構型：“大鵬”掛載三枚飛馬座火箭

在我們的印象中，運載火箭基本是地面發射場發射的，比如我國為了發射長征五號和長征七號專門建設了文昌發射場。然而，也有些運載火箭是海上甚至空中發射的，比如聯合發射聯盟的海射系統，以及空射的飛馬座火箭。火箭空射方式不僅規避了落區問題，射向更加靈活，而且飛機本身帶有初速和高度，相當于給火箭加了一個助推器，提高了火箭運力。此外空射還規避了地面發射場不利天氣的干擾，使用上具有更多的靈活性。

空射火箭的歷史

空射火箭最早的嘗試是美國的飛馬座運載火箭，1990年4月5日美國使用B-52轟炸機攜帶一枚飛馬座火箭試射成功，后來軌道·ATK公司購買了一架洛·馬公司的L-1011“三星”大型客機作為飛馬座火箭的載機。自1990年以來飛馬座空射火箭已經進行了43次發射，其中3次失敗2次部分失敗，其成功率雖然偏低，但考慮到它是第一種空射火箭外加空射方式靈活性的優勢，仍然是相當可圈可點的。飛馬座空射火箭的成功，讓投資者對空射火箭興趣大增，且不說維珍銀河公司那個空射亞軌道旅游的太空船二號飛船，維珍銀河公司還在研制發射載具一號空射運載火箭，而美國大富翁保羅·艾倫更是投資建立了同溫層發射公司，要將空射運載火箭的水平提高到前所未有的高度。

▲ “大鵬”飛機在莫哈維機場準備測試

▲ 同溫層發射的大飛機：“大鵬”（Roc）

空射火箭的載機

提起大飛機，我們會想到美國C-5、波音747，“發射載具一號”空射火箭就打算使用波音-747改裝機發射。地球的另一邊，安東諾夫設計局還研制了安-124尤其是安-225運輸機，“安-225”是當今世界最大的飛機，然而它的地位已經受到了挑戰，挑戰者就是同溫層發射系統的載機，綽號“大鵬”（Roc）的大型飛機。2011年保羅·艾倫創建了同溫層發射公司，其宗旨就是通過空射方式降低入軌成本，提供更方便和可靠的航天發射能力，推動航天商業化的發展。保羅·艾倫財大氣粗，他并不滿足于L-1011客機加飛馬座火箭這樣的小型衛星發射能力，而是要躋身中型火箭發射市場。運載火箭從起飛升空到飛到萬米高空，初期加速慢，耗用燃料多，再加上低空稠密大氣阻力更大等因素，節省的燃料還是相當可觀的。然而，空射方式雖然提高了火箭的運力，但L-1011載機釋放高度約12.4公里，速度也只是亞音速，火箭釋放分離時的高度和速度距離入軌相去甚遠，絕大部分的速度增量仍是火箭提供的。簡而言之，空射火箭的運載系數提高相當有限，所以要發射中型衛星，空射的火箭還得是百噸級的中型火箭，這就需要重量尤其是尺寸前所未有的大型飛機！

▲ 同溫層發射的飛行軌跡

超級“大鵬”出世

同溫層發射的“大鵬”載機由著名的比例復合材料公司設計，這家公司是不加油環球飛行的旅行者號的設計者，也是太空船一號和二號載機的研制者，“大鵬”載機同樣使用了他們輕車熟路的雙機身設計。“大鵬”到底有多大呢，我們來看看具體數據：這架飛機翼展385英尺（117.35米），比當年休斯造的H-4水上飛機和當今最大的安-225（翼展88米）都大了約20米；“大鵬”載機的長度為238英尺（72.54米），垂尾高度為50英尺（15.24米），這些數據比之“安-225”就有些遜色了；“大鵬”載機使用6臺普惠公司的PW4056大推力渦扇發動機，單發推力25.75噸，為了降低研制成本，這些發動機是從波音747-400客機上拆下來的。事實上，為了制造“大鵬”他們專門購買了兩架波音747-400客機，除了6臺發動機外，航電和起落架也都是從兩架波音客機上拆下來的，當然雙機身設計以及機身機翼這些核心部分是比例復合材料公司制造的，“大鵬”也一躍成為世界上最大的復合材料飛機！

▲ “大鵬”和空射獵鷹9號中型火箭

“大鵬”載機空重226.8噸，不外掛火箭時起飛質量340.2噸，最大起飛質量可達589.68噸，或者說外掛能力可達250噸，足以掛載典型的200噸級中型火箭，這也是它專門采用雙機身設計的根本原因。為了實現更靈活的發射能力，“大鵬”載機的航程也相當可觀，它的典型飛行半徑可達1000海里（1852公里），從加州莫哈維機場出發飛到東太平洋上空發射，可以滿足不同軌道和射向的發射需要。2017年5月31日“大鵬”從莫哈維機場下線，開始進行地面測試和發動機測試，同年12月進行了45公里/小時的低速滑跑試驗，今年2月“大鵬”又進行了74公里/小時的低速滑跑試驗，按照預定計劃“大鵬”將在2019年進行首次試飛！

總而言之，保羅·艾倫投資的“大鵬”載機和安東諾夫設計局的安-225運輸機性能各有千秋，雖然“大鵬”的最大起飛質量低于安-225運輸機，但這是它外掛火箭的獨特設計所致，以美國航空工業的技術積淀，造一架全面超越“安-225”的超級飛機并無難度。

前途迷茫的“大鵬”

保羅·艾倫的“大鵬”大型載機已經橫空出世，雙身巨獸讓人耳目一新，但同溫層空射的“大鵬”能否大獲成功呢？從目前的趨勢看還真不樂觀，“大鵬”已出，但空射運載火箭卻拖了后腿。

2011年空射概念正是火爆的時候，保羅·艾倫提出了同溫層發射系統和“大鵬”飛機，而火箭則瞄準了SpaceX公司，打算聯合研制一種名為空射獵鷹9號（Falcon 9 Air）的中型火箭，這種火箭只用4臺梅林1D發動機，近地軌道運力可達6.1噸，同步轉移軌道運力也有2.3噸，大致相當于印度現在GSLV MK II火箭的運力。一旦空射獵鷹9號成功，后續還將研制載人版空射火箭！然而計劃沒有變化快，同溫層空射公司和SpaceX公司對空射火箭的設計出現分歧，兩家公司最終分道揚鑣，好在美國航天工業實力雄厚，2012年保羅·艾倫又找到軌道·ATK公司合作，打算研制飛馬座II空射火箭。

飛馬座II空射火箭可比飛馬座火箭大多了，它前兩級使用軌道·ATK公司的大型固體火箭，第三級原計劃使用氫氧低溫發動機。當然，對于空射系統來說，復雜和昂貴的低溫上面級太難用了，2014年它還是被兩級固體火箭發動機取而代之。飛馬座II火箭同樣有6.1噸的近地軌道運力，同步轉移軌道運力可達2噸，當然它的發射質量也高達211噸。2014年同溫層發射公司還發布視頻，打算用飛馬座II火箭發射追夢者小型航天飛機入軌，縮比的追夢者飛機可載2-3人，看來保羅·艾倫對載人航天始終念念不忘。然而天有不測風云，2015年飛馬座II火箭的研制進度不盡人意，同時同溫層發射公司尷尬的發現，空射中型火箭的市場前景不妙，只好擱置了飛馬座II火箭的方案，轉而研究其他的空射火箭方案。

同溫層發射公司研究了70多種不同的空射方案。最終選中了小型火箭并聯發射方案。具體地說，“大鵬”將一次任務將掛載三枚飛馬座火箭，用于發射市場需求旺盛的微小衛星。上文提到飛馬座火箭是第一種空射火箭，現在保羅·艾倫繞了一個大圈，花了上億美元造了超級“大鵬”飛機，最后又回到飛馬座火箭上來，這實在讓人哭笑不得。如果不空射中型火箭，何必要研制這么大的“大鵬”呢？要知道飛馬座火箭的質量只有23噸而已，三枚火箭也只有69噸重，最大外掛能力250噸的“大鵬”并聯掛載飛馬座實在是大材小用。“大鵬”飛機如此巨大，且不說研制費用，使用費用也要比L-1011等客機高得多，“大鵬”這個同溫層發射的雙身巨獸雖大，但能否鵬程萬里還真是未知數呢。