世界最大飞机如何发射火箭

2019-05-08 08:57 北京日报

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“平流层发射”飞机和设想中可以发射的航天器。李会超

新闻背景

据报道,一种名为“平流层发射”的巨型飞机在美国成功首飞。若以机翼伸展的长度为对比指标,“平流层发射”可以算得上是世界上最大的飞机。这种由两个机体组成的大型飞机将在未来承担起发射火箭的任务,使空射火箭的发射能力提高到新的水平。

空中发射火箭的好处

在我们的印象中,火箭大都是在地面的发射架上,由静止状态点火发射。而空射火箭则是一种在高空中发射火箭的方式。运载火箭由军用运输机或民用客货运飞机携带到高空中后投放,在半空中点火飞向太空。

这种技术最早发端于上世纪六七十年代美、苏两国对空中发射洲际弹道导弹的探索。虽然部分试验取得了成功,但经过一番比较论证后,两国技术人员发现这种方式对于军事作战并没有特别突出的价值。后来,美国轨道科学公司将这种技术“军转民”,研发出了“飞马座”空射火箭及其发射平台,在民用卫星的发射上取得了很大成功。

“飞马座”火箭首飞于1990年,起初的发射平台为美国国家航空航天局(NASA)拥有的一架B-52轰炸机(武器拆除,只用于航空航天试验)。后来,由轨道科学公司改装的一架L-1011“三星锥”客机成为了“飞马座”火箭的专用发射平台。“飞马座”火箭有标准型和增强型(XL型)两种,目前仍在使用的只有增强型。在发射时,火箭被固定在“三星锥”飞机腹部,由飞机带到高度为12000米的高空中释放。火箭首先自由下落5秒,以获得与飞机足够的安全距离,之后再点火,将卫星送入太空之中。

与从地面发射火箭相比,空中发射火箭的好处主要有两点。首先,空射火箭的发射灵活性更强。从地面发射的火箭,其飞行方向必须尽量避开人口稠密的区域,因此发射方向就要受到限制,进而限制了从此处发射的卫星能够进入的轨道倾角范围。而空射火箭从任意位置的机场起飞后,可以先飞到远离人口稠密区域的位置,再将火箭发射到太空之中,理论上可以将火箭发射到任何方向。同时,火箭在发射时的高度已经高于了大部分雷雨大风等天气现象发生的高度,也高于大部分民航客机飞行的高度,因此发射受天气条件的制约较小,也无需让空中交通管制部门提前指挥民航飞机绕开火箭发射的区域。这种灵活发射的特性在商业航天时代尤其受欢迎,设计制造周期较短的商用小卫星可以通过空射火箭,获得较短的发射准备时间。

其次,如果火箭从地面的静止状态起飞,加速到万米高空,需要克服比较大的空气阻力,因此这段看似不长的飞行过程实际要消耗不少燃料。而由飞机携带到高空之后再点火的空射火箭,不但拥有了与飞机飞行速度相当的发射初速度,其所处环境的大气密度也已经比地面小了很多,受到的阻力更小。在发射同样质量的有效载荷时,空射火箭消耗的燃料要大大小于地面发射的火箭。而发射火箭所使用的飞机,实际上就发挥了能够反复使用的火箭第一级的作用,且可靠性高、维护成本低。在这些因素的综合作用下,空射火箭发射单位质量有效载荷的成本相比地面起飞的火箭要低不少。

“平流层发射”运载能力强

然而,民航客机并非专门为发射火箭设计,其最大起飞重量与外形设计都限制了空射火箭的发射能力。一方面,火箭的重量不能超过飞机的运载能力极限,另一方面,即便飞机的运载能力还有余量,如果飞机机身的挂载空间已经容不下火箭的个头,火箭的规模也无法继续增加。以目前最大的空射火箭“飞马座增强型”为例,其总重量仅有2.3吨,最大近地轨道发射能力仅有0.4吨,与地面起飞的主流运载火箭有着很大的差距。为了进一步提高空射火箭的发射能力,由微软公司联合创始人保罗·艾伦推动的“平流层发射”系统应运而生。

“平流层发射”是一个由飞机、火箭和集成控制装置三部分组成的综合系统,本次试飞成功的“平流层发射”飞机是该系统中的空射运载飞机。这架飞机外观与一般的飞机有着很大的不同:一般的飞机,仅有一个机体,机体两侧就是飞机的双翼。而平流层发射飞机由两个机体组成,每个机体各与一侧的机翼连接。这种设计在二战时期就曾经出现过,当时美军迫切需要一种重型战斗机,但在战事紧张的情况下又没有充足的时间从头开始设计试制一种全新的飞机。于是,设计师们就把现有飞机的两个机体连接到了一起,构成了F-82等双机体战斗机。而对于平流层发射飞机来说,双机体飞机最大的好处就是可以在两个机体之间为挂载火箭或其他航天器提供充足的空间。同时,多出来的机体还可以安装火箭发射过程中需要用到的各种测控仪器,使飞机真正成为一个全功能的空中发射平台。应用双机体结构后,这种飞机的翼展达到了117米,使其成为世界上翼展最长的飞机。

“平流层发射”飞机的运载能力相当强大,最多能够将重量高达250吨的火箭带到空中发射。在平流层发射计划开展的早期,研发它的“比例复合”(Scaled Composites)公司曾经与SpaceX公司洽谈,希望SpaceX能在猎鹰9火箭的基础上进行改造,将猎鹰9火箭的9台发动机减为5台,为“平流层发射”系统提供一种功能匹配的火箭。然而,这项合作最终未能达成,“比例复合”公司自行研制火箭的计划也没能进行到底。目前,“比例复合”公司计划让“平流层发射”系统通过一次发射多颗“飞马座增强型”火箭的方式来进行初期的运行,同时也在与内华达山脉公司探讨空中发射“追梦者”载人飞船的可能性。

延伸阅读

空中发射的太空旅游飞船

“比例复合”公司可以说是航天工业界使用双体飞机发射航天器的行家。在“平流层发射”飞机试飞成功前,这家公司还曾经试验过亚轨道商业载人航天器“太空船一号”和“太空船二号”。和进入轨道后能够环绕地球多圈的轨道航天器相比,亚轨道飞行器不能完成环绕地球一整圈的飞行,只能在距离地面较高的位置滑行一段时间,使乘坐者获得与航天飞行类似的体验后就返回地面,最大的飞行高度在一百公里左右。比起让太空游客乘坐轨道飞行器环绕地球,亚轨道飞行器可以减少飞行成本,价格更低。

“太空船一号”在2003年至2004年进行了17次成功的飞行试验后,“比例复合”公司的研发重点就转向了其实用化的升级版飞船“太空船二号”。“太空船二号”的发射飞机为双机体结构的“白骑士二号”。“白骑士二号”使用了四台用于中小型民航飞机的普惠PW308发动机,最大运载能力为17吨,比“平流层发射”小了一个数量级。在发射过程中,“太空船二号”挂载在“白骑士二号”的两个机体中间,由“白骑士二号”携带到一万五千米的高空释放,“太空船二号”的发动机随即点火,在8秒钟内达到超音速状态。随后,“太空船二号”的发动机还将工作70秒,使飞船进入到一条远地点为112公里的亚轨道上。这个高度已经越过距离地面100公里的“卡门线”,进入了美国标准下的太空空间。

“太空船二号”的票价暂定为25万美元一张,这个价格对于一般人的收入来说显得相当昂贵。船票在2007年开放预订后,目前已经售出了五百多张。然而,付了钱的乘客们可能需要再等几年才能真正成行。2014年,“太空船二号”序列中的“企业号”在测试中发生事故,飞船损毁,一名试飞员殉职。在事故原因查明后,“比例复合”公司制造了另一艘“团结号”飞船,并在加紧进行飞行测试。今年2月,“团结号”首次搭载了一名由试飞员充当的测试乘客,实现了三人太空飞行。未来,在完成50-100次飞行测试,彻底验证飞船的安全可靠性后,“比例复合”公司才会正式邀请乘客们乘坐飞船,体验太空飞行的乐趣。

责任编辑:陈群(QT0001)