“平流層發射”大型載機成功首飛的分析

劉琳 （北京宇航系統工程研究所）

2019年4月13日是個值得航空史銘記的日子，世界上私營航天企業的“平流層發射”（Stratolaunch）大型載機首飛成功，一舉創造了“翼展最長、掛載能力最大、雙體機、火箭專用”等多項航空史記錄。這架專門為航天應用而研發的飛機，在創造歷史的同時也為大型空射運載火箭的應用鋪平了道路。本文結合此次首飛試驗情況，對其特點進行了梳理，對其項目進展進行了回顧，并對其影響進行了分析。

1 平流層發射大型載機首飛分析

首飛情況

2019年4月13日，世界上最大的飛機“平流層發射”在美國加利福尼亞州的莫哈韋沙漠順利升空，其機身及主翼由復合材料制成，采用雙機身設計，翼展長度達到117m，配備了6臺波音747飛機的同款發動機，飛機起落架共有28個機輪。起飛后，以304km/h（馬赫數約為0.26）的飛行速度在莫哈韋沙漠上空5182m的高度連續飛行了2.5h，隨后返回莫哈韋航空航天港，安全著陸，成功完成首飛。

這架翼展超過標準足球場的移動發射平臺，將被用于直接從萬米高空發射火箭，提供一種比陸基發射運載火箭方式更為靈活、更多選擇的航空式太空進入方式，也為近些年熱議的低成本發射技術提供了新途徑。

首飛意義

（1）翼展第一、質量第二

該飛機采用獨特的雙機身設計，兩個機身分別長約73m，翼展達到創紀錄的117m，超過標準足球場105m的長度，是長期保持“世界最大飛機”紀錄的安-225運輸機的1.32倍，達到了全球最大民航客機—空客A380-800客機的1.47倍，是航空史上翼展最大的飛機。起飛質量達到590t，達到了安-225運輸機質量的92%，是空客A380-800飛機的1.05倍，排名世界第二。

平流層發射載機與其他大型飛機比較

平流層發射載機的主要參數

（2）外掛能力世界第一

根據官方數據，該飛機在兩個機身之間的“中心翼”部分，最多可以搭載227t的有效載荷，相當于該飛機能夠同時承重3發長征11號運載火箭，或者四架波音737飛機，或者一百多輛奧迪A6轎車。這樣的驚人的外掛能力直接決定了十分可觀的運載能力，平流層發射系統公司（Stratolaunch System）于2018年8月推出的四型空射火箭方案，最多可以將6t的有效載荷送入預定軌道，并計劃在首次入軌發射任務中一次性攜帶3枚飛馬座空射火箭，完成3個不同的發射任務。

項目發展回顧

2011年12月，平流層發射系統公司成立后，開始研制平流層空射運載火箭系統，委托空間探索技術公司（SpaceX）研制空射運載火箭、斯凱爾德復合材料公司建造載機、Dynetics公司提供運載火箭與載機的對接和集成系統。

2012年11月，平流層發射系統公司宣布與SpaceX公司解除合作關系。之后，平流層發射系統公司委托“飛馬座”（Pegasus）火箭研制方軌道科學公司（Orbital Sciences Corporation）完成了運載火箭的初步設計和系統運行所需的操作程序。

2013年6月，平流層發射系統公司與軌道科學公司正式簽訂合同，由軌道科學公司負責平流層空射運載火箭系統的系統工程和空射運載火箭的研發、制造、集成和測試等全套工序。

2017年6月，該飛機建成，進入地面和飛行測試階段，先后完成了加油測試、發動機測試等工作。

2018年8月，平流層發射系統公司推出了四型空射火箭方案，包括飛馬座XL火箭、中型運載火箭、重型運載火箭和航天飛機。2018年10月，平流層發射載機在美國莫哈韋航空航天港完成了一次中速滑行試驗。

2019年4月，平流層空射系統公司完成了載機的首次飛行試驗，并計劃在后續任務驗證載機發射飛馬座XL空射火箭的能力。

2 “飛馬座”空射運載火箭項目

美國“飛馬座”空射運載火箭于1986年提出方案設想，1990年4月5日進行首次飛行試驗，是世界最早投入商業運營的空射運載火箭。“飛馬座”空射運載火箭采用“吊掛式”的機箭組合方式，早期的“飛馬座”吊掛在改裝的B-52轟炸機機翼下，后期改為吊掛在L-1011重型運輸機腹部。

“飛馬座”空射運載火箭有兩個基本型號：標準型和XL型，均為三級固體運載火箭。標準型“飛馬座”起飛質量18.886t，全長15.5m，直徑1.27m，翼展6.7m。飛馬座XL型是在標準型的基礎上通過加長一、二級和提高性能發展而來的，火箭起飛質量約為23.13t，全長16.9m。其投放高度約為12km，投放速度Ma為0.8，200km近地軌道運載能力約為443kg。

飛馬座XL空射運載火箭組成

“飛馬座”運載火箭飛行過程圖

至今，“飛馬座”空射火箭系列已經完成43次發射任務，將80余顆衛星送入太空。

3 對發展空射運載火箭的分析

大中型空射運載火箭成為可能

悉數目前在飛以及在研的空射火箭：“飛馬座”空射火箭起飛質量18.8t，飛馬座XL空射火箭起飛質量23.1t，運載器-1（Launcher-1）空射火箭起飛質量21t，機載發射地軌道衛星系統（ALASA）空射火箭不足5t。俄羅斯的飛行號空射火箭規模較大，為80～100t。這些火箭所用的載機平臺雖然都經歷了不同程度的改進和性能提升，但是載機的空投能力仍然有限?！捌搅鲗影l射”載機的橫空出世改變了一切。第一，大幅增加了載機的掛載投放能力，以伊爾-76運輸機為例，起飛質量190t，載荷質量50t，載荷質量與起飛質量之比為0.26；平流層發射載機起飛質量590t，載荷質量227t，載荷質量與起飛質量之比為0.38，提高了1.5倍。第二，掛載空間不受限，能夠直接掛載3枚飛馬座XL火箭，單發飛馬座火箭的三角翼翼展為6.7m，也就意味著可掛載空間的橫向距離不小于20m，同時載機的離地高度為15m，巨大的尺寸空間使大中型空射運載火箭的掛載不受限制。

上述數據表明，未來的空射火箭質量規?？梢允恰帮w馬座”的10倍，運載能力是“飛馬座”的13.5倍，火箭數量是現有的3倍。這些將使空射火箭的投送能力大幅增加，能夠輕松完成單星發射以及多星部署任務，可以真正參與到未來主流發射市場的競爭中。

雖然平流層發射系統公司目前暫停了大型空射火箭的研制，但是相信在可以預見的將來，還會再度刷新空射火箭的世界記錄。

空射運載火箭將發展定制載機

從20世紀80年代末，美國開始將空射導彈技術應用于運載火箭領域，使用B-52轟炸機，L-1011重型運輸機外掛發射“飛馬座”小型空射火箭，俄羅斯也曾經研究過利用安-124CK、伊爾-76TD、安-124或安-225貨運飛機作為發射平臺發射火箭。2018年11月，英國維珍軌道公司（Virgin Orbit）也利用改造后的波音747飛機掛載運載器-1空射火箭完成了掛載飛行，并取得了成功。

縱觀世界范圍內的空基發射載機，包含了戰斗機、轟炸機、運輸機、民航客機等各式各樣的飛機，盡管成熟的飛機使得空中發射成為可能，但也存在極大的局限性。平流層發射載機作為專門為空射火箭研制的載機，最大空投能力接近227t，空間幾乎不受限制，使空射火箭的設計更為自由，極大拓寬了空射火箭的應用范圍。更為可貴的是，平流層發射載機顛覆了空射系統依據飛機設計火箭的思路，轉為依據火箭需求定制平臺，使飛機平臺從“兼職”走向“專職”，從而為火箭的空中發射提供更好的發射條件，雖然此次首飛的飛行高度還沒有足夠高，飛行速度還沒有足夠快，但是它卻是全世界首型為發射火箭而研制的飛機。

空射火箭或將改變太空經濟學

保羅·艾倫曾說：“如果我們能夠改變太空發射的經濟學，我們就可以改變太空旅行和探索”。改變太空發射的經濟學，核心就是要降低衛星發射成本。讓我們來計算一下空射火箭到底能賺多少錢。

以“飛馬座”火箭為例，其在空中發射時的運載能力為227kg（740km極地軌道），而采用同樣的三子級結構，直接從地面發射運載能力僅為30kg?！帮w馬座”火箭通過空中發射能夠增加197kg載荷質量，如果以每千克2萬美元的發射價格計算，則增加收入394萬美元，折合人民幣2647.68萬元。如果一次發射3枚，則收入倍增。

對于大中型空射火箭更為可觀，我國的長征二號丙運載火箭起飛質量為242.5t，近地軌道運載能力為4t；平流層發射系統重型運載火箭起飛質量約230t，近地軌道運載能力6t，較長征二號丙火箭載荷能力增加了2t，以每千克7000美元發射價格計算，增加收入約9408萬人民幣。

俄羅斯方面也曾對空射成本進行了估算，飛行號空射火箭每次發射費用約2300萬美元，每千克有效載荷的發射成本為5000～6000美元，低于海上發射系統的7000～9000美元，更遠低于地面發射的25000～30000美元，具有極強的競爭力。

空射火箭創造了全新的太空進入方式，使衛星發射航班化，如果未來進入太空就像如今坐飛機一樣普遍，那么它改變的不僅僅是發射價格，更是改變人們對太空的認知。

4 結束語

歷經多年發展，美國空射運載技術在轟炸機、運輸機、戰斗機、民航客機以及雙體機等多種平臺上不斷拓展，投放速度從低亞音速到高亞音速，再到超音速上不斷深入，采購廠商也涵蓋了軍方和多家私營企業。今日，“平流層發射”載機的首飛成功再度為大型空射運載火箭的未來發展開疆辟土，使空射火箭在運載能力上真正參與到主流商業發射市場的競爭中。