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空射火箭,空中发射

- 编辑:曾道长资料大全 -

空射火箭,空中发射

  出品:科普中国

  出品:科普中国

  作者:矛隼工作室

  作者:兰顺正 察哈尔学会研究员中国指挥与控制学会会员

  监制:光明网科普事业部

  策划:宋雅娟

  有人或许会发现,火箭有的在越来越大,有的却在越来越小。大的,有重达三千吨的超级SLS太空发射系统,小的,却有只有一吨多重的小火箭也在越来越多。

  监制:光明网科普事业部

  这些火箭有我国的快舟一号、长征十一号,外国的则有轨道ATK公司的飞马座火箭。这些轻小型的火箭只能将小型卫星送上太空,而且单位运送价格也不比猎鹰九号等大型火箭低。那么,大家为什么要发展这些看似鸡肋的小型火箭呢?

  近日据相关媒体报道,由美国微软公司联合创始人保罗·艾伦创立的航天企业斯特拉托发射系统公司于20日公布了最新发展计划,世界上翼展最大的飞机有望于2020年携运载火箭升空。据悉,负责运送火箭的飞机绰号“大鹏”,是一架有着世界上最大翼展的双体飞机,它有两个机身、六个引擎,翼展达117米,接近一个标准足球场的长度。这款飞机将携带不同类型的火箭从地面升空,然后让火箭在高空点火、发射、脱离大气层,将卫星送入轨道。这架飞机首先挂载的将是美国诺思罗普-格鲁曼公司建造的“飞马座”火箭,这款空射型运载火箭先前已多次搭乘其他载机发射成功。“飞马座”最多可将370千克载荷送至400千米高空,它与上述双体飞机的首飞定于2020年完成。无疑,“大鹏展翅”意味着运载火箭空中发射技术将变得越发成熟。

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  图为轨道ATK公司的飞马座火箭

  图片来自网络

  首先,我们要理解发射工位的概念。工位,就是火箭能够发射的平台,火箭发射总是需要一个发射场的,但是建设一个发射场可是非常复杂的事情。以我国为例,我国有太原、西昌、酒泉、文昌四个火箭发射基地,总计工位数一共都没有几个。而且工位可不是通用的,例如长征五号这样的大型运载火箭,就只能在南方的文昌发射中心发射。

   源于冷战的空中发射

  如果在战时,各大火箭发射基地显然是第一个收到攻击的目标。而且,这些发射中心可不和机场一样,挨了炸弹之后铺上钢板就能复用,航天发射是一个很精细的事情。工位一旦受到破坏,没有一年半载是没办法修复的。

  空中发射是指以航空器为载体,将运载火箭从空中释放并点火,由运载火箭将有效载荷发射入轨的一种运载火箭发射模式。本质上讲,运输运载火箭的载机作为火箭可重复使用第1级应用,充分利用气动力,为火箭提供初速度和高度。按照运载火箭在飞行器上的装载方式,空基发射运载火箭的方式主要分为背驼式、 吊挂式、 内置式、 拖曳式、 空中加油式和气球或飞艇空中发射六种。 其中吊挂式是目前最为成熟的空基运载火箭发射方式。

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  图为美国当年发射土星五号的LC39A工位(来源:NASA)

  图片来自网络

  另一方面,战时卫星也是第一个受到攻击的目标,我们都知道各国的反卫星武器层出不穷,为的就是在第一时间摧毁敌对卫星星座,尤其是间谍卫星、通讯卫星和中继制导卫星。因此,快速补射卫星的能力是各大国的核心战略能力。

  而从飞机上发射火箭源于美、苏在上世纪70年代争霸背景下提出的反卫导弹、战略导弹空基发射设想。在上世纪80年代末期,原苏联一家设计局披露了他们研究的一种新的系列空射型运载火箭,这种四级固体空射型运载火箭从原苏联经过改进的安124运输机的后货舱门发射。可将小型有效载荷送入低地轨道,最大的一种型号可将450公斤重的有效载荷送入轨道。不过该方案后因成本过高、技术难度过大和研制周期过长而终止。据报道,1990年美国进行了世界上首次空中发射任务,从那以后,共43枚火箭通过大型运输机发射。

  但是,我们刚刚说的这些小火箭,几乎都不需要大型工位就可以发射升空。

   优点多多的空中发射

  原因很简单,是因为其都使用的是固体燃料发动机,无需提前加注和测试流程就可升空。尤其是长征十一号,其干脆有配套的机动式发射装置,发射流程也就和弹道导弹一样,找到一块平地,起竖,装订目标轨道数据然后发射升空就可以了。

  而相比地面发射火箭,空中发射具备特定的优势。

  然而,美国的轨道ATK公司“飞马座”火箭的发射模式更加有趣——空射火箭!

  首先地面上发射火箭,需要消耗大量燃料。而如果让飞机飞到高空,在空中发射火箭,可以减少很多空气阻力;空中发射无需地面配合和附属设施,火箭可以做得比较小,并在大型运输机平台上获得初始动力,可以节省很多燃料。

  简单的来说,就是火箭被捆绑在一架飞机上,待飞机升至高空再发射火箭。这种技术不是什么新鲜东西了,维珍宇航的白骑士+太空船就是空射火箭组合。

  其次空中发射火箭在部署上也更灵活。众所周知,不同的卫星有不同的发射要求。如顺行轨道卫星(绕地方向与地球自转方向相同)要求发射地点的纬度尽可能的低,以便利用地球自转的线速度减小发射成本。而逆行轨道卫星(绕地方向与地球自转方向相反)则要求发射地点的纬度尽可能的高。因此航天大国都会在国土的南北两端分别建立发射场以满足不同的发射要求。同时,发射场周边的天气对于发射活动的影响也很大,历史有多次发射活动使因为天气不佳而被迫推迟或取消。但空射火箭由于装载于飞行平台上,受发射范围与天气限制就很小,飞机可以“量体裁衣”般载着火箭飞行几百乃至上千公里以寻找合适的发射位置,或者避开不良天候的影响。

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  图为维珍航天白骑士二号

  图片来自网络

  相比于凝聚着大国工业技术的快速发射固态运载火箭,小得多的多的空射火箭的技术难度也要低得多。此外,固态运载火箭通常被和弹道导弹联想到一起,而空射火箭则不会。这使得很多小国更青睐自研或者进口空射火箭来发射本国的火箭。

  可军可民的空中发射

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  从技术上来看,空射运载火箭与空射弹道导弹两者非常的相近,一个国家如果掌握了空射运载火箭那么距离空射弹道导弹也就不远了。而空射弹道导弹对于国防意义重大,因为弹道导弹与飞行平台结合以后,其隐蔽性、战时生存率以及部署灵活性都会大大增强,因此不论是采用核弹头还是常规弹头都将使相关国家的威慑力上一个台阶。

  图为B52火箭发射的飞马座空射火箭

  从技术上说,空射运载火箭的好处在于三点,第一点是使用了飞机的动能和高度,可以大大的节约火箭燃料。第二点与小型固态火箭相似,可以机动发射,而且挂着火箭的飞机可以转场到全球的任何一个位置。第三点则是其在发射时拥有更灵活的发射窗口期——机动灵活的发射载机甚至可以追着发射窗口飞行。

  不过,空射火箭的运载能力只能用千克来计算,这导致其在战时也只能用于发射通讯或中继卫星,而不能像固体运载火箭一样补射摄像卫星。

  对于民用来说,空射火箭作为一种超小型火箭,很适合发射高校用小卫星或者立方星。

  当前,随着计算机技术、遥测技术和天地通讯技术的发展,立方星的意义越来越大,凭借仅仅十几厘米的体型,却能完成以前需要大型卫星才能完成的任务。在此之前,立方星的发射通常要搭上大型运载火箭的顺风车。然而大型运载火箭往往需要首先顾及自己搭载的大型卫星,这就导致了立方星很难找到合适自己预定轨道的顺风车。

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  图为立方星示意图

  现在的小型运载火箭就恰好满足这个需求了。高校和科研团体可以用较低的价格,包下整个运载火箭,对于科研的发展来说是非常有意义的。

  这些小个头的运载火箭,尤其是空射火箭虽然在媒体面前出场率远远低于那些超级运载火箭,但是其在战争情况下对于国家整体的国防安全作用却是不可缺失的重要一环。而在本世纪,满足了不断发展的近地空间科研需求,可以说是大国重器之一了。(本文图片来自网络)

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