空中發(fā)射是一種通過(guò)機(jī)載發(fā)射系統(tǒng)在空中釋放導(dǎo)彈的技術(shù)。這一技術(shù)允許在較高高度和速度條件下，將運(yùn)載火箭與飛機(jī)分離，隨后運(yùn)載火箭自由飛行一段時(shí)間后，第一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，最終將有效載荷送入指定軌道。隨著質(zhì)量噴射預(yù)壓冷卻技術(shù)的發(fā)展，飛機(jī)的脈沖推力得以增強(qiáng)，從而提高了運(yùn)載火箭的飛行速度，為空中發(fā)射提供了可能性。
技術(shù)發(fā)展
國(guó)外技術(shù)
美國(guó)空軍航天司令部（AFSPC）在2003年的研究報(bào)告中指出，空中發(fā)射是未來(lái)理想的一種低成本、快速響應(yīng)的航天運(yùn)輸關(guān)鍵技術(shù)。自1990年起，美國(guó)開(kāi)始使用“飛馬座”火箭進(jìn)行商業(yè)發(fā)射操作。目前，美國(guó)的空中發(fā)射研究主要集中于F-15、C-17、B-1和B-52等型號(hào)的飛機(jī)。早期的“飛馬座”火箭由B-52轟炸機(jī)搭載，后來(lái)軌道科學(xué)公司購(gòu)買了L-1011運(yùn)輸機(jī)作為新的載機(jī)。在投放過(guò)程中，飛機(jī)飛行高度約為11,900米，飛行馬赫數(shù)為0.8。借助特殊設(shè)計(jì)的三角翼提供的空氣動(dòng)力學(xué)特性，“飛馬座”火箭能夠在穩(wěn)定狀態(tài)下將有效載荷送入預(yù)定軌道。
俄羅斯在1998年提出了以An-124運(yùn)輸機(jī)為載機(jī)的空中火箭計(jì)劃，旨在發(fā)射兩級(jí)運(yùn)載火箭。馬可耶夫設(shè)計(jì)局提出的方案包括基于“靜海”3A或“里夫”MA運(yùn)載火箭的空間運(yùn)輸系統(tǒng)，使用伊爾-76MD、An-124或安-225貨運(yùn)飛機(jī)作為發(fā)射平臺(tái)。火箭放置在機(jī)身內(nèi)部，通過(guò)空中投放，利用降落傘減速后再點(diǎn)火啟動(dòng)。其中，“靜海”3A具備超過(guò)600千克的低地球軌道有效載荷能力，而“里夫”MA的有效載荷能力可達(dá)近1000千克。2004年，俄羅斯空中發(fā)射公司獲得了改裝四架An-124-100型運(yùn)輸機(jī)用于航天發(fā)射的許可。根據(jù)方案，俄羅斯空中發(fā)射公司將使用改裝后的An-124-100型魯斯蘭遠(yuǎn)程運(yùn)輸機(jī)作為載機(jī)，攜帶長(zhǎng)達(dá)30米、重達(dá)100噸的“飛行”號(hào)兩級(jí)運(yùn)載火箭飛至海拔11千米的高空。在預(yù)定位置，飛機(jī)尾部的艙門將開(kāi)啟，形成長(zhǎng)條狀的“斜坡”，位于機(jī)艙內(nèi)的火箭尾部將露出艙口。接著，飛機(jī)機(jī)身逐漸傾斜，直至與水平線成76度夾角時(shí)，大功率活塞將火箭推出艙口，沿“斜坡”滑出。此時(shí)，運(yùn)輸機(jī)執(zhí)行緊急上升動(dòng)作，迅速與火箭分離。火箭上的降落傘隨即展開(kāi)，維持火箭的飛行姿態(tài)。大約六秒鐘后，降落傘脫離，一級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生約190噸的推力，使“飛行”號(hào)以3.8千米/秒的速度飛向預(yù)定的太空軌道。該項(xiàng)目預(yù)計(jì)將投資1.3億美元，建成后的發(fā)射能力將達(dá)到3噸有效載荷送入近地軌道，每千克有效載荷的發(fā)射成本低于5000美元。
關(guān)鍵技術(shù)
載機(jī)
作為第一級(jí)運(yùn)載器，載機(jī)的性能指標(biāo)直接影響到上面級(jí)的運(yùn)載能力。關(guān)鍵因素包括載機(jī)的最大起飛質(zhì)量和燃油消耗情況，這些決定了載機(jī)所能承載的運(yùn)載火箭與有效載荷的質(zhì)量。此外，載機(jī)的最大飛行速度和最大使用升限也是重要考量因素，因?yàn)樗鼈儠?huì)影響火箭與載機(jī)分離時(shí)所獲得的速度增量，進(jìn)而影響火箭的運(yùn)載能力。
運(yùn)載火箭
由于空中運(yùn)輸空間和載重的限制，需要選擇適合的火箭尺寸和質(zhì)量。為了確保運(yùn)輸和發(fā)射過(guò)程的安全性，需要對(duì)現(xiàn)有地面的低溫加注以及液壓系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。通常運(yùn)載火箭會(huì)采用固體推進(jìn)劑，但也可能采用其他類型的火箭燃料。
組合方式
根據(jù)運(yùn)載火箭在運(yùn)輸途中的不同位置及其與載機(jī)的關(guān)系，常見(jiàn)的組合方式包括背馱式、肚裝式和下掛式。具體選擇哪種組合方式，需要結(jié)合載機(jī)和運(yùn)載火箭的特點(diǎn)，并考慮經(jīng)濟(jì)實(shí)用性和安全性的平衡。
姿態(tài)穩(wěn)定技術(shù)
在地面發(fā)射時(shí)，運(yùn)載火箭在點(diǎn)火前處于穩(wěn)定姿態(tài)。但對(duì)于空中發(fā)射，運(yùn)載火箭在與載機(jī)分離后點(diǎn)火前的一段時(shí)間內(nèi)，姿態(tài)處于不受控制的狀態(tài)。因此，如何保持運(yùn)載火箭的姿態(tài)穩(wěn)定，以便正確引導(dǎo)和合適的角度點(diǎn)火，是一項(xiàng)至關(guān)重要的技術(shù)問(wèn)題。
制導(dǎo)技術(shù)
對(duì)于空中發(fā)射任務(wù)而言，雖然能確定衛(wèi)星的目標(biāo)軌道，但無(wú)法精確預(yù)測(cè)載機(jī)實(shí)施發(fā)射的位置、時(shí)間和狀態(tài)，也無(wú)法提前設(shè)定運(yùn)載火箭的標(biāo)準(zhǔn)彈道和關(guān)機(jī)時(shí)間等參數(shù)。因此，運(yùn)載火箭需要具備實(shí)時(shí)的彈道計(jì)算和自主制導(dǎo)能力。
測(cè)量控制技術(shù)
空中發(fā)射的機(jī)動(dòng)性意味著可用的地面測(cè)控資源不確定。此外，測(cè)控系統(tǒng)需要全程監(jiān)測(cè)發(fā)射過(guò)程，并在必要時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)陌部卮胧Ｗ詈螅枰獙?duì)點(diǎn)火點(diǎn)的運(yùn)載火箭參數(shù)進(jìn)行精密測(cè)量。因此，需要開(kāi)發(fā)多樣化的測(cè)量控制手段。
相關(guān)配套技術(shù)
如空中加油技術(shù)、空中發(fā)射測(cè)試技術(shù)和載機(jī)與運(yùn)載火箭分離技術(shù)等，都是為了增加飛行半徑、提高發(fā)射點(diǎn)選擇面而發(fā)展的相關(guān)配套技術(shù)。
特點(diǎn)
空中發(fā)射技術(shù)為小衛(wèi)星和微型衛(wèi)星提供了良好的發(fā)射機(jī)會(huì)，因其發(fā)射規(guī)模較小且電子設(shè)備小型化。這種發(fā)射方式價(jià)格低廉、風(fēng)險(xiǎn)較低。空中發(fā)射不受地理位置限制，可在全球范圍內(nèi)任意地點(diǎn)、采用多種射向進(jìn)行發(fā)射，極大地?cái)U(kuò)展了航天器的軌道選擇范圍。由于任務(wù)準(zhǔn)備時(shí)間短，發(fā)射點(diǎn)射向靈活，與固定發(fā)射場(chǎng)相比，大幅降低了發(fā)射成本。此外，利用飛機(jī)作為發(fā)射系統(tǒng)的第一節(jié)，不僅能減少火箭各節(jié)的速度需求、降低氣動(dòng)阻力、減少大氣壓力的影響，還能從現(xiàn)有支持設(shè)施中獲益。由于發(fā)射位置分布廣，空中發(fā)射為任務(wù)操作帶來(lái)極大的靈活性。空中發(fā)射方法通常分為兩種：一種是從載機(jī)上直接點(diǎn)火發(fā)射，另一種是先從載機(jī)上彈射或投放，然后再點(diǎn)火。機(jī)載發(fā)射裝置可根據(jù)結(jié)構(gòu)分為導(dǎo)軌式和管式，根據(jù)安裝位置可分為機(jī)外式、機(jī)內(nèi)式和混合式。
相關(guān)試驗(yàn)
空中發(fā)射試驗(yàn)是為了評(píng)估機(jī)載導(dǎo)彈、火箭彈的可靠性和安全性。此類試驗(yàn)一般在大量的地面發(fā)射試驗(yàn)和空中掛飛試驗(yàn)之后進(jìn)行，通常采用發(fā)動(dòng)機(jī)模擬彈（帶真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)，其氣動(dòng)外形和重量、重心與真彈相同）。在規(guī)定的一些典型高度、速度和飛行姿態(tài)下進(jìn)行發(fā)射。空中發(fā)射試驗(yàn)的主要檢查內(nèi)容包括發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火可靠性、導(dǎo)彈離機(jī)后穿過(guò)飛機(jī)流場(chǎng)區(qū)的飛行軌跡和飛行穩(wěn)定性、發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)饬鲗?duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響、發(fā)射瞬間對(duì)載機(jī)姿態(tài)及飛機(jī)操縱性的影響，以及發(fā)射瞬間的燃?xì)鈮毫Α⒁繇懞驼駝?dòng)對(duì)其他懸掛物和機(jī)載設(shè)備的影響。
發(fā)射速度記錄
美國(guó)北美航空公司的X-15A-2型飛機(jī)是世界上最快的固定翼飛機(jī)之一。1964年6月25日首次飛行，由液態(tài)氧-氨火箭推動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，最高時(shí)速達(dá)到7,274公里（6.7馬赫）。1963年8月22日，約瑟夫·A·沃克駕駛X-15A型飛機(jī)創(chuàng)下107,960米的飛行高度紀(jì)錄。1968年10月24日，進(jìn)行了最后一次這種飛行表演。美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航天局的羅克韋爾軌道式航天飛機(jī)“哥倫比亞”號(hào)，1981年4月12日從佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角肯尼迪宇航中心發(fā)射升空，打破了所有固定翼飛機(jī)的飛行紀(jì)錄。在122公里高空重返大氣層后，承受了2,160°C的高溫。1981年4月14日在加州羅杰斯干湖著陸時(shí)，時(shí)速達(dá)347公里。截至1983年11月28日，第六次太空飛行后著陸時(shí)，其續(xù)航時(shí)間為10天7小時(shí)47分23秒，創(chuàng)下了國(guó)際航天聯(lián)合會(huì)“P”類別下的續(xù)航時(shí)間最長(zhǎng)紀(jì)錄。
參考資料 >
導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)（一）“有箭無(wú)弓一場(chǎng)空”——初識(shí)導(dǎo)彈發(fā)射技術(shù).手機(jī)光明網(wǎng).2024-08-12
美空軍太空司令部(AFSPC)成立國(guó)家安全太空學(xué)院.新浪新聞.2024-08-12
俄羅斯擬用重型飛機(jī)送火箭上天 美領(lǐng)先空中發(fā)射.中國(guó)臺(tái)灣網(wǎng).2024-08-12
固定翼飛機(jī)的最高紀(jì)錄保持者 X-15A-2.搜狐網(wǎng).2024-08-12