前途远大的空中发射

航天技术是一项综合性的集成技术，它的发展必然要充分应用航空技术的成果。当，由载机携带航天运载器所进行的空中发射，已成为航天技术和航空技术结合的一个热点。

空中发射的重大意义

1.空中发射是降低航天运输费用的途径之一。图示-各国主要一次性运载火箭的运输费用

从50年代到80年代中后期，各国发展航天运载器的动力主要来自增强国家威望与军事实力。此时，运载火箭的研制主要考虑提高性能和技术水平。尽管也受到经费的约束，但基本上不追求经济效益。自80年代末以来，商业航天的比重逐步增大，航天运输任务的需求也不断扩大。为适应这种需求，航天运载器应降低发射费用、提高可靠性、安全性和任务适应性，减小对环境的危害。下表给出了各国主要的传统一次性运载火箭的运输费用。由表可见，目前的一次性运载火箭送到地球低轨道的每公斤载荷的费用高达3500～13300美元。只有将航天运输费用比现在降低一到两个量级之后，也就是每公斤载荷的费用达到几百美元的水平，像全球移动通信系统这种面向市场的航天产业才有真正的发展前途，开发月球资源和建设空间太阳能电站等种种设想才能变成现实。从这个意义上看，发展可重复使用、操作简单和可靠性高的航天运载器，已成为开发空间的当务之急。空中发射具有较高的自主性和机动性，可在世界上任何地方进行发射，而且不必在航天发射场周围和火箭分离部分落区设立安全区。由于载机可在一般机场起降，从而不需要建立庞大的地面基础设施，人员数量也可大为缩减，也无需花巨额资金建设道路、电力、宾馆、学校和医院等附属设施，从而大大降低了发射费用。

2.空中发射提供了一种较便宜的中、小型卫星的运载器，可以投入国际卫星发射市场和满足军事上快速机动发射的需求。

由于信息革命的推动，应用卫星发展很快，从而使世界航天发射市场的前景十分看好。从1957年10月到1997年12月，全世界共进行3844次成功的空间发射，入轨航天器总数为4881个。其中1054次（占27.4％）使用小卫星运载火箭，它们送入轨道的小卫星约1440个（占29.5％）。这些数字表明，小卫星运载火箭是空间运输系统中不可轻视的重要组成部分。据权威的咨询公司分析， 2005年到2010年，商用卫星发射市场总量为平均每年40～60颗，地球同步轨道卫星的发射占63％的市场份额，地球低轨道卫星的发射占27％的市场份额，地球中轨道卫星的发射占10％的市场份额。若加上政府卫星和为空间站的服务，可把航天发射的总量加大一倍，即平均每年发射80～120次。由于现代小卫星技术和卫星星座技术的发展，在低地球轨道卫星的发射市场份额中，大部分为服务于全球移动通信的小卫星星座。小型遥感卫星及其星座也有部分市场。

世界航天发射市场正面临激烈的竞争，除了阿里安公司、美国外，中、日、俄、乌等正努力增加世界航天发射市场的份额。据咨询公司估计，阿里安公司的市场份额将从50％下降到21％，美国"德尔它"的市场份额为17％，日本H－2A的市场份额为16％，海上发射组织、美国"宇宙神"、我国的"长征"的市场份额各占11％，俄罗斯的"质子"号的市场份额占10％，其他新加入者占3％。对于地球低轨道小卫星的发射，由于运载能力较小的火箭发射费用较高，目前主要采用运载能力较大的火箭进行一箭多星发射。但是空中发射有可能降低发射费用和适于发射单个小卫星，前景也十分看好。空中发射只要2～3天发射准备时间，特别适宜于发射卫星星座中的替换星和战时发射军用小卫星。空中发射提供了快速、机动发射中、小型军用通信卫星和遥感卫星的能力，这对未来的高技术局部战争将十分重要。　

3.发展空中发射火箭技术，可以进行空间作战飞行器和高超音速飞行器的技术演示验证，对航天、航空和武器装备的发展都有很重要的价值。 图1-"飞马座"运载器结构图

美国航天司令部在1998年4月公布了《长期规划》，在这个长期规划中，首次提出了空间作战飞行器(SOV)的概念。SOV是一种完全重复使用的航天飞行器，可以飞到中地球轨道和地球同步轨道。它可以带有效载荷，如卫星和空间机动飞行器（SMV）。SMV是可以完成对敏感地区进行监视、对在轨卫星进行维修和加注燃料等多种任务的较小飞行器。对空间作战飞行器的要求，关键是便宜和快速反应。美国空军航天司令部认为，正在研制的X－33和X－34对发展SOV具有重要价值。

高超音速飞行器的军事应用主要包括跨大气飞机、高超音速飞机和高超音速导弹等。由于它们具备高的生存能力、飞行速度和攻击能力，将使空中作战平台提高到新水平。发展高超音速飞行器面临巨大的技术挑战，特别是在推进技术、空气动力学和材料与结构等方面。地面试验、计算和飞行试验在模拟高超音速飞行方面都有各自的局限性，为了发展高超音速飞行器，需要一体化地使用这些手段。为了验证这些关键技术及它们的综合集成，需要发展演示验证飞行器，空中发射火箭提供了高超音速技术的试验平台。例如，可以利用空中发射的运载器进行高超音速冲压发动机试验和高超音速边界层转捩试验等。

4.空中发射火箭技术也为发展空中发射的反卫星武器打下了基础。

从1978年起，美国首先研制空中发射的小型常规反卫星武器。该武器是一种带小型自动寻的弹头的两级固体导弹，故又称"反卫星导弹"。该导弹由 F－15战斗机携带到高空发射。在第一、第二级助推器的推动下，弹头相对速度达到约13公里/秒时，自动跟踪目标并与其相撞。1984年和1985年, 美国用反卫星导弹进行了5次实弹跟踪目标与打靶试验。

国外空中发射小卫星的进展

早在1974年，美国空军就首次在C－5"银河"飞机上发射了"民兵"式火箭。后来，美国、俄罗斯、乌克兰和法国等国家都对此项技术进行了研究，美国轨道科学公司在这方面首先取得了突破。为了降低航天运载器的运输费用和提高其使用性能，他们在美国国防先进研究计划局的支持下，研制了"飞马座"(Pegasus)运载器。1990年4月5日，"飞马座"运载器成功地进行了第一次试飞，并投入商业运行，先后发射了多颗军用卫星和轨道科学公司Orbcomm系统的小卫星。该运载器为三级固体火箭，直径1.3米，长15.2米，总重19000公斤。其基本结构如图1所示。它开始用B－52亚音速轰炸机发射，后改用L－1011运输机，运载器也作了改进，定名为"飞马座"XL，其飞行程序如图2所示。"飞马座"XL可向低轨道发射182～454公斤有效载荷，每次发射的费用为1400万美元。NASA利用"飞马座"运载器进行高超音速边界层转捩的飞行试验，目前正准备利用"飞马座"运载器进行使用超音速燃烧冲压发动机的高超音速验证机Hyper－X的飞行试验。除此以外，美国空军莱特实验室致力于研究在"飞马座"运载器上采用吸气式发动机的研究。具体方案是第一级采用带有固体燃料气体发生器的空气涡轮火箭/碳氢超燃冲压发动机(SFGG ATR/HCSJ)。研究结果表明：第一级采用吸气式发动机后，有效载荷可从454公斤提高到858公斤。

最近，俄罗斯的飞行航空公司、化学自动化设备设计局和勃罗公司等共同组建了空中发射宇航公司。根据俄政府1998年12月1日颁布的第1702号令，在国家的支持下，他们正在对能把2.5吨重的卫星送入近地轨道的空中发射系统开展试验工作，拟从2001年开始商业发射。该系统将使用安124－100型的改型安124－VS飞机作为载机，携带卫星的两级运载火箭及所需的发射设备配置在载机机身内部。火箭的第二级可重新启动。俄罗斯拥有大量的安124－100飞机，这种最大商载可达1500吨的飞机将成为空射火箭系统的基础。 图2"飞观座"XL运载器空中发射程序

执行发射任务时，载机可先飞到大海或陆地上空的任何地点。发射时，载机将在10～11公里的高度上以约700公里/小时的速度飞行，并完成急跃升机动，将运载火箭从运输发射包装容器中投出。投放后的火箭使用降落伞进行5～6秒的自由下落，然后开启其第一级发动机。随后，火箭进行调整飞向预定轨道。

该空射火箭研制之初曾准备采用液氢/液化天然气或液氢/RG－1型煤油作燃料。1999年初，空中发射公司召集俄、乌等著名火箭与航空专家对一些难题进行了攻关，并提出了一些改进措施。其一是使用T－6航空煤油作为火箭燃料。这可简化火箭的地面加注系统和液压系统，降低载机与加注后的火箭协同行动时发生火灾和爆炸的危险性，充分利用航空、航天在使用煤油方面的丰富经验，尤其是还可利用技术较为成熟的火箭发动机。由此可使研制费用降低到1.2～1.5亿美元，大大缩短了研制周期，每次发射的费用也可降至1050万美元，项目投资的回收期约为2～3年。其二是使用技术成熟的火箭发动机。第一级将采用由库兹涅佐夫发动机设计局研制、曾用在N－1巨型登月火箭上的NK－33发动机。第二级使用化学自动化设计局为"联盟"2号运载火箭第三级而研制的RD－0124型四燃烧室发动机。采用这两种发动机可使运载火箭能将3吨的有效载荷送入极地轨道。其三是在发射前使载机的飞行接近于失重状态，然后从载机上投下运载火箭。这种方式可在不对载机增加任何要求的条件下，将可投放的火箭重量增加到95～100吨。同时，要在飞行的所有阶段都保证载机及乘员的安全，包括在紧急情况下取消发射并返回机场。

空射系统有三种方案，火箭起飞重量分别为80、90和100吨，200公里极地轨道运载能力分别为2.0～2.2吨、2.5～2.7吨和2.8～3.0吨，系统研制费用分别为1.293亿、1.303亿和1.313亿美元，单次发射费用分别为1010万、1020万和1030万美元，但每公斤有效载荷发射费用则随火箭重量的增加而降低，分别为4400～4700美元、3800～4100美元和3500～3700美元。火箭的可靠性为0.99。

俄罗斯彩虹集团也曾提出一个叫作"纤夫"的空中发射方案。它采用图－160超音速轰炸机和液体火箭。图－160轰炸机能在13.5公里的高度、M=1.75时发射32吨重的火箭。因此，"纤夫"的有效载荷比"飞马座"重，可发射重量在1100公斤以下的地球低轨道卫星。据彩虹集团估计，运送每公斤有效载荷到低地球轨道的费用要低2～3倍。这个方案还采用伊尔－76预警机在空中进行测控，为发射区域、发射时间和发射方位提供了更大的选择性，可以在15～20分钟内将卫星送入地球低轨道的任何指定位置。其研制费为1.53亿美元。　　

重复使用航天运载器的验证飞行器X－34

1994年8月5日，美国总统克林顿签署了美国新的航天运载政策。这个政策表明，航天运载器的发展要将一次性运载火箭和重复使用的航天运载器结合起来。为了实现这个目的，美国开始研制X－33和X－34。X－33为单级入轨火箭的验证机（飞行马赫数将达到13.5）。X－34为一种重复使用的空中发射系统。1993年到1996年，美国国防部和美国航宇局曾向一种单级入轨运载器试验机--"三角快帆"试验机（DC－X）项目投资1.25亿美元。这种试验机进行了12次试飞，最高飞到3155米，验证了垂直起飞、快速回飞和简化地面保障技术，地面保障人员只有15人，最短再飞准备时间只有26小时。X－34将在DC－X和X－33之间起到搭桥的作用。它将验证简化飞行操作的方案，为研制实用型的重复使用运载器扫清前进道路上的重要障碍，并将使美国向实现运载器重复使用的目标迈出重要的一步。。

X－34由轨道科学公司研制。其外形如图3 所示，典型的着陆如图4所示。按美国航宇局这项投资8500万美元的计划要求，X－34将总共制造3架，并将用其中的两架进行20多次飞行试验。希望该试验机每次飞行的成本能达到50万美元的水平，而且最终能实现48小时内重新发射。X－34在进行典型的有动力飞行时，由L－1011带到距起飞基地834公里的空域，然后在10公里的高度上离开载机。约5秒钟后，发动机点火，试验机将向上飞行。150秒时，发动机关机，X－34继续爬升至76公里的最高点。在这样的高度上，机翼和方向舵已起不到什么作用，所以需要使用喷气推力器来实现姿态控制。再入过程中，试验机下机身的温度将达到1033K，而机翼和尾翼前缘以及鼻锥部分温度将达到近1373K。试验机在降向跑道过程中，将使用惯性导航系统和GPS系统进行精确导航修正。试验机的接地速度为100米/秒，在速度为85米/秒时打开减速伞，可在约2100米的距离内停下来。L－1011随后也将返回这条跑道，准备下次试飞。图示-X-34验证飞行器外形图

X－34要试验的关键技术包括：自主着陆所需的自动导航、制导和控制系统、复合材料机体结构、可重复使用的复合材料推进剂贮箱、低温隔热件、先进防热系统、火箭工作状况综合监测系统和嵌装式大气数据系统。另外要验证的还有不断重复使用对碳复合材料结构的影响。

X－34试验机的主要技术性能参数：长度17.68米，翼展8.53米，干重7.71吨，起飞重量21.23吨，有效载荷重量181～454公斤，最大飞行高度高于76公里，最大飞行M数8，着地速度100米/秒，前缘最高温度1373K，复飞准备时间小于2 天。

X－34研制中最引人注目的是使用捷径(Fastrac)液体火箭发动机。该发动机采用液氧和煤油作为推进剂，推力为267千牛顿，由美国航宇局马歇尔航天飞行中心研制。捷径发动机是自航天飞机主发动机研制以来美国研制的第一种液体火箭发动机，虽推重比性能不很高，但它简单、可靠、便于制造。

由于降低了涡轮泵的成本，捷径发动机每台的初始成本仅为现今同等推力火箭发动机的1/5，这主要是因为它的设计与传统的火箭发动机不同，采用了商用的成熟技术和制造方法，例如，它的涡轮泵就是由一家在制造汽车和化工厂用的涡轮泵方面很有经验的公司生产的。该发动机采用气体发生器循环。发动机控制系统也设计得简单，价格也便宜，阀门的开启和关闭由飞行器的计算机来控制。它的推力和混合比是在地面校准时就设定好的。另外，当火箭发动机工作时可产生3311K的高温，足以熔化任何材料。一般的火箭发动机采用对燃烧室和喷管进行液体燃料循环的再生冷却, 而捷径发动机采用了烧蚀冷却。燃烧室内壁由带状的硅基复合材料组成，每次飞行后都要更换被烧蚀的燃烧室和喷管。发动机每飞行3～4次就要更换。1999年6月29日，X－34进行了第一次试飞。

从国外发展空中发射火箭的情况来看，对于并不要求火箭重复使用来说，主要的技术关键是，载机和火箭的组合与分离技术，以及分离过程中火箭的稳定和姿态控制技术等。对于要求火箭重复使用的这种空中发射来说，除了上述与组合和分离有关的关键技术外，还必须突破火箭的重复使用技术。■图示-X-34由载机带到空中发射，完成飞行任务后自主返回着陆。

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