新型火箭发射概念——空中发射

原标题:新型火箭发射概念——空中发射

ROC

2019年4月13日,平流层发射系统公司(Stratolaunch)首次试飞了世界上最大的飞机——ROC,整个试飞持续了两个半小时,而后飞机安全着陆莫哈韦航空航天港。

平流层发射系统公司(Stratolaunch)是保罗·艾伦于2011年投资创立的一家私营航天公司,致力于开发新的太空轨道发射系统。与马斯克Space X的理念不同,平流层发射系统公司采用了另一种概念发射火箭——空中发射。

按照平流层发射系统公司的设想,利用飞机把人造卫星或太空船送至高空,届时人造卫星或太空船仅需少量燃料就直接升往近地轨道,而飞机回航后可待第二次升空之用,这样就可以大大降低投送航空设备的成本。

ROC飞机由Scaled Composites制造的。Scaled Composites公司的总部位于莫贾维市,曾制造了第一艘商业亚轨道太空船——太空船一号(SpaceShip One)。事实上,最初Stratolaunch公司本是与Space X联手,打算从ROC飞机上发射Space X研发的改进版本猎鹰9号火箭。

由于若干原因,Space X和Stratolaunch公司合作不到一年便分道扬镳,之后轨道科学公司(即轨道ATK公司,现在又改为诺斯罗普·格鲁曼公司)介入,计划制造一款新火箭Thunderbolt,但2016年以后,两家公司开始只专注于研究小火箭飞马座(Pegasus X)L的发射。

把火箭带到万米高空

ROC飞机体型巨大,由两个机身和由六台普惠公司制作的PW4056涡轮风扇喷气式发动机以及28个轮子构成,翼展117米——比一个美式橄榄球场地还大,基本上相当于国际空间站的长度。ROC飞机的机库占地面积达到了8175平方米。

其设计用途是搭载最高约226.8吨的火箭进入平流层,然后火箭直接在高空点火、发射、脱离大气层,再将卫星送入近地轨道。这样可以极大程度减少地表发射所需的燃料,同时提高成功率、降低天气干扰因素等。ROC飞机的最大起飞质量可达589吨,从纸面参数来看,它至少可以携带一枚长征三号大小的火箭。

机库厂房

ROC的Pratt&Whitney涡扇发动机

虽然ROC飞机分为左右两个机身,但只有右侧的机身是留给驾驶员使用的。驾驶需要三名飞行员协同合作,包括驾驶员、副驾驶以及飞行工程师。起飞时,机组人员通过调控六台Pratt&Whitney 4056涡轮风扇喷气式发动机进行操作。每台发动机可产生大约60,000磅的推力。仅四引擎747的高音涡轮呜呜声在起飞时就可达到140分贝——况且ROC还附加了两个额外的发动机,因此它起飞时产生的轰鸣声可想而知。这也是其选择在莫哈韦空旷的沙漠中研制试飞的原因。

ROC左侧机身虽然安装了看似驾驶舱的空间,但实际主要用来放置飞行数据设备。飞机的机翼被两个机身分隔为三段,其中两侧机翼各有3个引擎,中间机翼则预留空间用于执行航天器发射任务。根据设计,ROC可以投送6.1吨的卫星到近地轨道或2吨的卫星到地球同步轨道,也可以用于悬挂发射小型的航天飞机。

执行任务时,一旦飞达预定高度,飞行员立刻开始倒计时并启动释放火箭的开关,之后飞机便加速转向远离火箭的飞行路径。在下降的过程中,火箭锚将自动定位把火箭倾斜到陡峭的角度,做好向太空发射的准备。

运行构想图

ROC飞机的另外一个优势就是通过定位飞机,卫星能被直接、快速地送入非常精确的轨道,能提供快速而精确的卫星定位服务使得它在与对手的竞争中脱颖而出。因此Stratolaunch公司曾表示,未来预定火箭发射就和预订航班一样可以灵活安排。

据飞行员托马斯介绍,测试中这架复杂的全复合材料飞机飞行时速为每小时189英里,“正如我们所期待的那样,飞行很平稳。飞行小组对飞机飞行速度校准和飞行控制进行了测试,并在15000英尺(近4600米)高度进行了模拟着陆。”随后他又表示,“这次试飞也让我们发现了一些不符合标准的小问题,虽然推进系统、液压系统以及其他系统的运行有点复杂,但总体都情况良好。”

据悉,几个月来,平流层发射系统公司一直低调地在加利福尼亚州的莫哈韦航空航天港进行跑道测试。包括本次首次试飞,公司事先并没对外公开,只是被摄影师拍摄到才引发众人关注。

未来前景

不难看出,ROC飞机本身相当于一个火箭发射平台。传统火箭依靠自身第一级发动机克服自身重力上天,ROC则可以利用机翼升力将火箭带到一个较高的高度再进行发射。这种做法节省了火箭发射至相应高度的燃料,且能为火箭提供一个较高的初始速度。且高空发射时,空气阻力也更小。因此,从理论上说,ROC可以提高能量利用效率,降低发射成本。

ROC飞机(想象图)

不过,高空发射火箭的做法也有很大争议,有人认为这是一个错误的发展方向。现在,可回收发射正在成为主流,其从成本上来,说很可能比这种空中发射的方式还要低。当然,我们也不能排除未来空中发射和可回收火箭结合的方式执行航天任务,进一步降低发射成本。

还有人认为,采用这种方法,未来航天器发射的时间地点选择都灵活很多,能实现快速发射。不过考虑ROC巨大的体型,实际上能选择进行任务的机场并不多。这也是其未来要战胜竞争对手时必须面对并解决的一个弊端。

作为同类火箭发射飞机的竞争对手,维珍轨道公司(Virgin Orbit)采用了一种更省钱的方式:维珍公司并没有研发一个空中发射平台,而是改装了一架维珍航空的退役747客机,允许其在一侧机翼携带载荷进行空中发射。虽然这种形式没有ROC那么强的载重能力,但也能满足不少低成本发射任务的需求。

文/张原峰

微信名称:太空梦想

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