发展我国空中（机载）发射固体运载火箭的思路和技术途径

一、引言

中国航天科工集团公司是一家专门从事导弹武器系统和小型航天器研制的国有大型军工企业，下辖宇航和信息系统、防空导弹、海防导弹和地地弹道导弹4个事业部。2000年5月，科工集团公司与其下属的另4家成员单位自筹资金，共同发起成立了航天固体运载火箭有限公司（以下简称运载公司）。

运载公司负责运载火箭（空间运载器）的战略规划、项目管理和市场开发，另外4家股东单位作为主承包商分别负责系统设计、研制和集成，共同提供小型固体运载火箭的开发、发射和服务。公司成立后仅用两年多一点的时间就完成了开拓者一号（KT－1）首发运载火箭的全箭飞行试验。

开拓者运载火箭充分利用了科工集团公司成熟的导弹技术和经验，在国内首次在运载火箭上采用了捷联惯导技术，总体设计中贯彻了低成本、短周期和高可靠的思想，符合未来用户的期望和使用要求。首发飞行试验结果证明了原始设计思想的正确性。

根据国内外军、民用小型有效载荷的技术发展趋势和需求，运载公司对开拓者系列固体运载火箭提出了初步发展规划。作为对我国长征运载火箭运载能力的补充，开拓者系列运载火箭将提供300kg以下有效载荷近地轨道运载能力，充分发挥固体运载火箭体积小、操作简单、发射快速和成本低的优势。同时，注重开发固体运载火箭的移动发射技术，其中包括地面（车载）发射和空中（机载）发射技术。

移动发射在战时和应急情况下具有特别重要的意义，因为军事上需要机动隐蔽从而打击敌人保存自己，这样一方面提高了紧急情况下发射的可靠性，另一方面弥补了固定发射场的不足。空中发射的发射点选择范围是载机满载时最大运输距离为半径的圆形区域，实际上有效载荷用户的轨道要求和落区限制决定了载机发射运载火箭弹道设计的唯一性。空中发射较大地提高了航天器轨道的选取范围，与地面固定台式发射相比，也可以在一定程度上提高运载火箭的运载能力。

机载发射固体运载火箭项目是利用飞机将固体运载火箭空运到某一预定发射空域，在较高的高度和速度情况下投放空间运载器。运载器自由飞行几秒后，第一级发动机点火，运载器按预定的程序飞行，最终将有效载荷送入预定轨道。机载监控系统完成整个运载器弹道飞行过程的监视和控制。

机载运载火箭发射有别于空空导弹和空地导弹发射的几个显著特点如下：

（1）体积重量大。例如，美国的飞马座火箭全长16.9m，起飞质量23t，对应不同的轨道和倾角下的有效载荷分布范围可达100～450kg；俄罗斯和乌克兰在研的空射运载火箭更大，火箭有效载荷达1000kg以上。

（2）为了保证入轨精度，初始定位定向要求高。

（3）投放时初始扰动对火箭的控制和制导系统影响大。

（4）在整个载机飞行和投放发射过程中，安全性问题更为突出。

基于小型固体运载火箭现有技术和国内飞机的运输能力，选择伊尔－76飞机和开拓者一号运载火箭作为该项机载技术的切入点，是突破该项技术攻关演示的最佳选择。

二、国外空中发射运载器的

发展历史、现状和趋势分析

1、空间运载器移动发射的发展历史

首先，空间运载器发射与导弹发射技术一脉相承。它根据设计和使用思想以及客观需要，或直接沿用原来的导弹发射技术，或加以延伸并推广使用，或加以创新发展。目前成熟的空间运载器发射方法与导弹发射方法是非常相似的，发射平台可以多种多样。

俄、乌两国合资组建的国际航天股份公司将退役的SS－18洲际导弹改为运载火箭“第聂伯”，充分继承了该导弹的陆地垂直发射井式发射法。俄、乌、美和挪威多国合资组建的海射公司建造了两个大型海上移动平台，提供“天顶”3SL运载器服务。这两个平台分别是“奥德赛”自身推进并可以半下沉的石油钻井平台和 长198m、重30.844t的“海射指挥”总装和指挥船。海射运载器在公司的母港（加州的长滩）进行有效载荷处理和集成，由“海射指挥”运输船转移到“奥德赛”平台上，然后航行到位于赤道上西经154°的主发射场进行发射。海上发射不需要依赖国家发射设施发射，从而节省了发射成本。

“飞马座”火箭的发射继承了通用的机载水平发射导弹技术，所不同的是采用了独特的位于机身上方的大三角翼，并按照S形弹道飞行。水平翼所提供的升力克服了重力，从而可大大提高运载能力或延长卫星寿命。

其次，各种移动发射技术是在地面固定发射技术的基础上发展起来的。今天人们已经将发射平台由陆地扩张到海洋和天空，可以预见在不远的将来甚至会延伸到太空。人们可以在这些活动空间内实现固定和移动发射运载器。各种活动区域内所采用的固定或移动发射方法大致有以下几种：

·陆地：发射架、发射井、火箭橇和铁路/公路发射车等；

·海洋：围海造田和平台、潜艇、水翼艇、气垫船或其他船只等；

·天空：飞艇、飞机等；

·太空：航天飞机、空天飞机、轨道器、卫星等运载器和航天器。

另外，由于运载器相对导弹而言体积大、重量沉、射程远，移动发射受到一定的技术和运输能力制约。因此除了“飞马座”以外，几乎没有实用化的空中发射运载器，大多数机载发射运载器还停留在概念和原理或技术探索阶段。

最后，随着微机电系统（MEMS）技术使得有效载荷不断小型化和轻量化，以及卫星星座技术的进步，有理由相信小型固体运载火箭在移动发射（特别是机载发射）方面占有越来越重要的位置。

2、空中发射运载器的现状

美国轨道科学公司于1990年4月5日首次进行了“飞马座”固体运载火箭的发射并取得了成功。经过10多年的发展，证明“飞马座”是经济上可负担得起而又可靠的小型运载器。它已经执行了30多次任务，发射了70多颗卫星。

俄罗斯和乌克兰在火箭机载发射方面已经开展了很长时间的研究工作，这是因为两国缺少国家发射场，需要与哈萨克斯坦签订协议才能使用拜科努尔发射设施。

乌克兰南方设计局是机载发射技术研究的排头兵，已有近30年的研究历史。乌克兰开展了多个弹道导弹和运载火箭型号的机载发射技术研究,作过火箭1∶1模型的挂飞投放试验。乌克兰正在研究近期内进行首次全态机载发射飞行试验的可能性。

俄、乌两国到目前为止还没有进行过真正的火箭机载发射试验，主要原因是空中投放中大型运载器技术比较复杂，需要大量的研制经费，而两国的航天预算都比较吃紧。

（1）美国的“飞马座”火箭

增强型“飞马座”为三级固体运载火箭（图1和图2），全长16.9m，起飞质量23.130t，直径1.27m，翼展6.7m，极地轨道最大运载能力接近450kg。“飞马座”的用户有商业、政府和国际组织。

在发射时，L－1011飞机将其载到约12km的海洋上空后进行投放，然后火箭以水平姿态自由下落达5s，再进行第一级火箭发动机点火。借助于其独特的三角翼产生的气动升力，典型情况下，“飞马座”在10mm内就可以将小卫星送入轨道。

“飞马座”独有的空中发射系统减少了成本，给用户提供了无比的灵活性，实际上可以在地球上任何地点仅需最少的地面支援需求进行发射和操作。“飞马座”已经可以分别从6个发射场进行发射，包括美国、欧洲和马绍尔群岛在内，这是空间运载火箭第一次演示了此种操作的灵活性。

此外，轨道科学公司还提供导弹技术演示(MTD)任务的先进技术试验台飞行器，供军方测试关键有效载荷。来自MTD的技术和数据可应用于所有高速战术侵入武器。

（2）俄罗斯的空中火箭计划

俄罗斯于1998年提出的空中火箭方案，是以改进的安－124运输机为载机并在空中发射的两级运载火箭。该系统拟采用“飞行号”运载火箭作为空中发射火箭。在发射过程中，安－124先将100t重的空中火箭携带到10～11km的高空，并在向上爬升的过程中，从飞机尾部的发射斜轨释放火箭。火箭随后利用降落伞离开载机，6秒后火箭的一级点火。

马可耶夫设计局提出了基于“静海”3A或“里夫”MA运载火箭的空中发射空间运输系统，使用伊尔－76MD、安－124或安－225货运飞机作为发射平台。火箭放在机身内部，空中投放，降落伞减速 ，然后点火。“静海”3A具有600kg以上的低地轨道有效载荷能力，而“里夫”MA的有效载荷能力可以接近1000kg。

（3）乌克兰

1994年，乌克兰开始研究以伊尔－76TD发射起飞质量为18.5t、运载能力为200kg(300km)的空射固体运载火箭。

1996～1997年，乌克兰研究以安－124为载机，以SS－24二、三级为基础的“鹰” 空射固体运载火箭，还在研究用高能燃料的改进型空射固体运载火箭。

（4）以色列

以色列也在开展机载发射运载火箭技术的研究，其目标是以F－15重型战斗机为载机，在20km以上的高空、超音速状态下发射用于运载微小卫星的固体运载火箭。

3、空中发射运载器发展趋势综述

分析各国发展机载发射运载火箭的历史和成功经验，有几点值得注意：

首先，机载发射运载器在技术上是可行的，选择一个合理的技术途径加上整体的国家航空航天技术经济实力作后盾，特别是从小型运载器着手就有可能率先取得成功。机载发射小型有效载荷可以为用户提供具有竞争力的价格和发射周期优势，用户可以有较多的选择。

其次，各国都以自己的国情为出发点，选择自己的技术发展道路。俄、乌选择从机身内部靠降落伞拖拽方式发射的技术并有一定的积累，但是工程上需要巨额的经费支持。中、大型火箭机载发射的风险很大，这也是一国经济上难以承受的。因此短时间内两国难以给自己的运载器找到成功的空中发射平台。

最后，机载发射运载器在追求有效载荷小型化、轻量化的同时也非常重视不同用户和用途的需要，特别是军事需要，另外要求发射低成本，这一点完全符合我国国情。型号牵引和技术推动是前进的两个车轮。

（1）美国的新型空射系统

波音和锡奥科尔推进公司正在研制一种新型空射系统，近地轨道运载能力大约为3000kg。该系统正作为一个近期的低成本军用系统来研制，可以用于支援部署和补充低地轨道通信卫星，增强美军战术反应能力。

该系统是军、民和商业多用途的运载器。它可以用于高超音速飞行研究、遥感和技术研发。美空军可能用它发射空间机动飞行器。它将扩大波音公司的民用和商业发射能力。

（2）俄罗斯开始实施空中火箭计划

2001年，俄空中发射公司改装4架安－124运输机用于航天发射的申请得到俄政府的批准。8月，该公司与俄武器出口控制局在莫斯科签署了空中火箭的销售合同。

根据研制计划，安－124运输机的改装工作和适航认证工作将在2003年初完成，空中火箭的首次发射定于2003年，其低地轨道运载能力为3～4t，地球同步轨道的运载能力为0.85t，每年可进行4次发射。

（3）乌克兰

2001年4月11日，乌克兰国家航天局宣布它需要3亿美元由南方科研生产联合体在2年内完成两种空射卫星运载系统。

“鹰”运载器将从安－124－100运输机上投放（图3和4），完成运输机的研制和改进费用为1亿美元。

“天顶”2的空射型号“黎明” 更大。 它由安－225投放，需要2亿美元完成运载器和飞机的研制和更新。“黎明”的低地轨道运载能力可以高达8000 kg，而“鹰” 将具有1000 kg类似轨道的有效载荷能力。

三、发展我国空中发射

小型固体运载火箭的技术

经济可行性综合分析

1、国内小型固体运载火箭机载发射技术的研发现状

（1）航天科工集团公司

开拓者一号的研制为开展固体运载火箭机载发射技术研究提供了一个很好的平台。运载火箭公司与有关伙伴单位从2000年开始对机载发射技术进行跟踪研究，搜集、整理并分析了国内外关于机载发射固体运载火箭设计的相关技术资料，初步明确了机载发射的主要关键技术。

科工集团公司在飞行器机载水平发射系统设计技术方面有多年的积累，但是还局限于小型飞行器系统的研制。

（2）航天科技集团公司与大学研究机构

航天科技集团在长征系列运载火箭研制、发射和服务方面具有成熟的技术和经验，国防科技大学等大学对机载发射原理和技术可行性有过一些探索，关于机载发射运载器的研究未见相关报道。

2、空中发射小型固体运载火箭的关键技术分析

机载发射固体运载器的研究需要从原理和技术可行性开始，其主要研究内容包括：

·飞机/运载器作为联合体进行研究

·机载发射固体运载火箭系统技术方案可行性研究

·机载发射固体运载火箭技术经济可行性研究

·机载发射固体运载火箭分系统方案研究

·分系统技术主要包括载机选择与改装、运载器投放技术、火箭改型设计、机载测控系统、动基座下的捷联惯导系统初始对准技术等。

机载发射固体运载火箭的关键技术如下：

·火箭投放技术

·动基座下的捷联惯导系统初始对准技术研究与试验

·火箭气动设计

·机载测发控系统技术

·载机改装技术

3、国内空中发射小型固体运载火箭的技术经济可行性分析

（1）总的思路

机载发射固体运载火箭是一个大系统，涉及的研究内容及其关系环节新颖且相当复杂，关键技术数量很多，研究试制费较大，耗时长，需要制定明确的发展思路和对策。

考虑到经费和科工集团公司的技术现状，选择切入点很重要。初步选择伊尔－76和 开拓者一号作为该项机载技术的切入点。其次，适当从乌克兰和俄罗斯引入相关技术，借鉴吸收，一方面可提高起点和加速该项目的研究，另一方面可以免走弯路。尽管我们许多方面与科技集团有不少差距，但是如果途径和切入点选取适当，又能适当引入国外技术，就有可能做出显著成绩。

（2）运载能力估算

经过初步估算，利用载机将开拓者一号携带到10km高度以0.67马赫的初始速度水平或垂直发射，同样高度的太阳同步轨道运载能力将扩大一倍以上。也就是说，机载发射开拓者一号的400km太阳同步轨道高度运载能力可以增加到100kg以上。这与“飞马座”同样高度轨道下280kg左右的运载能力相差较大，经初步分析，主要是因为“飞马座”独特的S形弹道设计和载机吊挂能力以及较高的初始速度（0.8马赫）。因此有理由相信，如果以水平投放经过改进的带有水平弹翼的“开拓者一号改”，其运载能力将进一步增大。但是这就要求载机满足其安装和投放要求。

运载能力是一项重要应用指标，对机载发射方案选择影响很大。运载能力高低有可能决定技术方案的前途和命运，因此需要对机载发射的总体技术指标先进行充分论证。

（3）技术和经济性之间要取得适当平衡，努力降低技术风险

追求低成本设计思想与技术先进性之间需要取得合理的平衡。一方面，低成本设计需要尽量采用成熟的技术和经验以及适当先进的总体技术指标，而采用大量新技术就有可能冒很大的技术风险，包括资金风险，甚至有可能使整个项目下马。另一方面，在技术方案可行性论证时要多准备几种方案，进行大量的科学计算和计算机仿真，获得最优的可行技术方案。

（4）经费保障

机载发射固体运载火箭项目可行性研究和工程试制、试验都需要大量的经费支持。利用现代的工程设计计算方法，能够大量节省经费和周期。但是单凭科工集团自身的资金实力难以确保研究持续不断的进展，需要得到国家立项支持。

四、结论和建议

·机载发射固体运载火箭技术上是可行的，但是需要充分论证总体技术指标的先进性。开展可行性方案论证时至少应包括两种完全不同的投放发射方法（分别类似“飞马座”和“鹰”两种运载器）。

·重视低成本设计和多用户选择，满足军方对机载发射小型运载器的特殊需求。

·选择伊尔－76载机和开拓者一号火箭作为该项目的切入点是一种符合国情又科学合理的选择，也满足小型航天器的发射需求。

·科工集团利用自身的技术优势，适当与乌克兰开展技术合作，有可能取得未来技术竞争的胜势。

·机载发射项目技术复杂，科工集团需要得到各方面的支持，特别是争取得到国家的立项批准。

推荐访问:运载火箭 固体 发射 途径 思路