最大飞机要当太空发射尖兵

刑天

在《一千零一夜》中，辛巴达出海被弃置孤岛，发现巨型鸟蛋，周长达五十步。原来，这是大鹏之蛋。大鹏回巢，辛巴达系自己于鸟爪。日出后，辛巴达靠大鹏之携带，逃到高崖之上。古今中外，有关大鹏鸟的传说比比皆是，大鹏成为了巨大的神鸟的代称。而一架敢以“大鹏”来命名的飞机，当然一定是非常大的了。

2017年5月31日，人们期盼很久的“同温层发射系统”的载机终于在美国莫哈维沙漠的航空航天基地下线。该机名为“大鹏”。作为空中发射运载火箭的载机，它必须能够具备强大的载重能力，这使其拥有了目前世界上最长的翼展（117米）。从这个角度来说，刚刚下线的这架飞机成为了世界上最大的飞机。

大师操刀

“同温层发射系统”的载机的厂内编号为Model 351，我们不妨在本文把她叫做M351号。该机翼展117.349米，机长73.1米。整机重量为589.67吨，可携带230吨重的发射载荷飞行3 704.1千米。

M351的总设计师不是别人，却正是伯特·鲁坦本尊。他是美国加州理工大学航空工程学专业毕业的。现年74岁的鲁坦做出过不少有趣的设计。在美国国家航空航天博物馆的大厅内悬吊的3架飞行器。能够在这里展示的飞行器代表着它们背后都有着传奇的故事和炫目的荣耀。中间一架长相酷似大白的飞行器就是伯特·鲁坦设计的太空船1号。这是人类首架由民营企业研制的能够载多人多次往返天地间的空天飞行器，荣获了安萨里X大奖。另外，打破环球飞行纪录、引起众人惊呼的多款飞行器，比如“海神”号、“白色骑士”2号都是他的手笔。

在追求大载重、远航程，另外还得漂亮的设计理念下，鲁坦的M351延续了他一贯的设计风格（尤其是与“白色骑士”2号有大量的相似之处）。整机大量应用复合材料，而且大胆进行结构减重。

二手拼凑

作为一款空射火箭的载机，而且无论是设计师的履历还是下线后该机的样子，总是让人想到“高大上”这个单词。Bigger这个表示“比大更大”的单词，其音译本身就很“逼格”。但是，实际上，这是一架攒出来的飞机。

不妨回首看一眼M351下线的场景：洁白的机体，巨大的厂房，宽广的大门。低头看起落架。M351共有28个机轮：前起落架2个，主起落架分为6组（左右两侧各3组），每组4个机轮。等一下！有没有突然觉得这家伙的起落架和机轮似曾相识，非常眼熟！

如果时光倒流，我们能够跑回M351在工厂内总装的时候。我们还能够发现那时还没下线，从来没有滑跑过的M351的机轮看上去旧旧的。喜欢飞机的人此时或许已经能够喊出来：这货明明就是波音747的起落架！

波音747-400客机的主起落架为4组小车式布局，每组拥有4个机轮。M351同温层发射系统载机则需要6组这样的小车来组成主起落架，因此需要2架波音747客机来提供（实际上1架半就够了，当然买二手飞机通常不会像卖烤鸭那样还能只买半只）。

在莫哈维航空航天基地的工程师们目睹M351下线的时候。我们一起认出了该机的起落架实际上来自于波音747之后，是不是看到该机的发动机也觉得眼熟了？

的确，M351的发动机也是从波音747上拆下来的。细看的话，M351采用了6台原本用于波音747-400的PW4056涡扇发动机。该发动机单台推力为252.4千牛。每架波音747拥有4台PW4056发动机，而每架M351需要6台。那么，需要拆多少架波音747才能满足1架M351的需要呢？答：取整数，为2架。

本着追本溯源，一查究竟的精神，我仔细查找和翻阅了M351的研制单位“缩比复合材料”公司在最近几年参与买卖二手客机的信息。结果，果然发现，在2011年，该公司就和美联航商议购买2架波音747-400的事情了。研制M351的公司购买了美联航的两架二手波音747-400（编号分别为28715和28716）。

该公司从美联航买的这2架波音747-400后来到哪里去了呢？大家不妨一起来到位于莫哈维沙漠的美国民用飞行器测试中心看一看。那里堆放了大量拆得只剩下“核心技术”的客机。往里面找找，我们就发现缩比复合材料购买的波音747-400就在这里。美联航的涂装还没来得及刮掉（其实本来也不刮的）。买来的两架二手波音747-400，轮儿没了，发动机也没了，驾驶舱也没了。实际上，这些都被缩比复合材料公司拆走装在M351上面了。原来当年他们购买二手波音747就是用来拆零件用的。

哈！不用研制，也不用测试，直接从成熟的客机上拆下来用，而且客机本身也是买的二手的，M351真是能够节省成本的。仔细看的话，我们还可以发现那架波音747-400的驾驶舱也被拆了。可以大胆地断定：未来上天的M351同温层发射系统载机的驾驶舱和二手波音747-400是一个样子的。

说到了驾驶舱，我再补充一下：M351采用双机身设计。机组人员集中在右侧机身的机头部位。左侧那个则是用来放置飞行数据记录仪和其他仪器设备的。

史上留名

同温层发射系统，顾名思义，就是要用飞机将火箭运到同温层，然后释放火箭的发射系统。同温层发射系统准备采用的空中发射运载火箭的模型已经正式对外公开。果然进展顺利的话，不出几年，我们就能够看到“大鹏”在空中发射运载火箭的场景了。

实际上，人类对于从空中发射运载火箭或者洲际弹道导弹是有过尝试的：1974年10月24日，一架C-5运输机飞上了高空。货舱门打开后，一枚“民兵”洲际弹道导弹从尾舱门那里跑了出來。这枚能够携带核弹头的洲际弹道导弹在这一天完成了空中发射试验。

但是，能够实现发射是一个要素，能够真正实现商业运营，成功盈利，则是另一个同样重要的要素。

空中发射火箭的优势主要有2个：

一是火箭本身拥有了一定的速度和高度，能够以较少的燃料将载荷送入太空；endprint

二是火箭在同温层发射，其发射时机基本上不再受天气情况的影响。而载机飞到公海上空时，其一级落区可以不影响陆上居民，火箭对射向的选择也比较自由。

但是，真正能够实现空中发射，至少要突破三个关键技术。

一是火箭（或洲际弹道导弹）的惯性导航系统在发射时已经随着载机这个动平台飞行了一段时间，需要有专门的陀螺对准算法来保证制导控制系统对位置和速度判断的准确性；

二是火箭（或洲际弹道导弹）与载机分离的时候，要避免与载机发生相撞事故；

三是要有载重量足够的大型载机，才能为运载火箭提供够用的空中平台。

M351这个载机空中平台有了，而真正商业化的路，还有点长。目前，世界上唯一在役并成功商业化运营的空射运载火箭是“飞马座”火箭。

1990年4月5日，首枚“飞马座”空射运载火箭试射成功。其后不久，该火箭就高调亮相了。公众第一次见到“带翅膀”的运载火箭。“飞马座”是一款三级固体运载火箭。火箭直径1.27米，其基本型全长16.91米，重18.5吨；XL型全长17.61米，重23.13吨。按设计指标，该火箭可以将重量在443千克以内的载荷送入500千米高的近地轨道上。的尾翼采用全动式的倒Y型设计。这种3片尾翼的设计在某些反舰导弹上也能见到。

前路漫漫

早期的“飞马座”以B-52轰炸机的改进型号为平台。由B-52带上万米高空后释放。该运载火箭从1990年4月5日的首次试射到1994年，共有5次发射是从B-52载机上发射的。其中3次成功，2次部分成功。（所谓部分成功就是发射成功了，但是轨道高度比预定的低，卫星在轨寿命受到了影响。比如第2次发射，卫星的确上了天，但是轨道高度太低，设计寿命3年的卫星只飞了6个月就再入大气烧毁了。）

从1994年6月开始，轨道科学公司开始用他们购买的一架洛克希德L-1011客机作为“飞马座”空射运载火箭的载机了。L-1011是一款在技术上非常先进的客机。性能优异的导航系统和自动控制系统使得该机能够在零能见度的机场进行自主起降。高压焊接技术的引入使L-1011的机身有很强的抗腐蚀能力。但是，从商业运营的角度来看，该机并不算成功。自1968年投产到1984年停产，共有250架L-1011走出总装厂投入运营。这个产量使得洛克希德公司难以在该项目上获得大量盈利。如今，人们已经难觅L-1011的踪影。但是，该机终究还是给热爱航空的我们留下了深刻的印象。

从1997年8月29日的第17次发射到现在，飞马座空射运载火箭全部发射成功，没有再出现过意外的状况。飞马座火箭，共43次发射，其中成功38次，部分成功2次，失败3次。目前，飞马座空射运载火箭的发射报价为：5630万美元。

被轨道科学公司购买的L-1011客机专门在机腹位置开了一个槽，以便容纳飞马座空射运载火箭翘起来的小尾巴。同时，L-1011载机内部也做了大量改进。比如可以用机上的环境控制系统给“飞马座”运载火箭的整流罩内通冷气以便将载荷的温度控制在比较优化的范围内。

L-1011的起落架算是够长，能够在肚子上带了一枚火箭的情况下正常滑跑。

当人们在讨论未来的“大鹏”也就是M351双机身大飞机如何在空中发射火箭，以及火箭该怎么飞的时候，不妨看看已经多次发射的“飞马座”是怎么飞的。毕竟马儿跑和驴子跑，样子还是比例类似的。

从L-1011载机上释放后，火箭先自由下落5秒钟。这个设计是让火箭与载机相隔一定距离后再点火，以避免火箭与飞机发生相撞事故。

在12.31千米高（也就是地面上方1.231万米处）的地方，飞马座火箭的第一级点火。

1分34秒后，第二级点火，此时飞马座火箭已经飞到了71.41千米高的地方。

2分12秒后，飞马座火箭抛整流罩。火箭已经飞到了115.93千米高的地方越过了100千米卡门线，进入太空。

6分48秒后，第三级点火，火箭距离地面486.81千米。

7分57秒后，飞马座火箭将卫星送入轨道。

空中发射运载火箭到底能省多少燃料？其优势难道真的主要在节省燃料这一方面么？还是和大家一起计算一下再下结论吧！

首先要说明的是：把卫星送到轨道上，其对动能的需求远大于对重力势能的需求。或者换句话说：飞得快比飞得高重要得多。這一点就可以让那些“用气球将火箭带到高空再发射”“运到高山上再发射”等观点消停一会儿了。当然，具体来说，快比高重要多少呢？无需用轨道动力学，仅用高中物理就足够证明并概算了。

飞机、气球能够把运载火箭带到万米高空，努力一下子的话，可以带到2万米的高空，也就是20千米高的地方。但是，实际上20千米的大气层内飞行高度相对于500千米的轨道高度来说，还是太低了。我们把气球或者飞机的能力放大10倍！够厉害了吧。然后来算一下，在200千米高的地方，动能与重力势能哪个是占能量需求的主要部分的吧。万有引力提供向心力，根据这个，再代入地球质量和万有引力常数，我们能够算出200千米高的地方，火箭需要有7.8千米/秒的速度。假设我们要把一个1千克的载荷送到200千米高度的地方，其重力势能为1.96兆焦耳，而其动能则高达30.42兆焦耳，足足是重力势能的15.5倍！也就是说，哪怕是把飞机、气球的能力放大10倍，仅靠抬升高度的方法，对于火箭来说也仅仅能够节省6.06%的能量。由此说来，那种晃晃悠悠把火箭慢慢送到高空的方法，并不能从本质上让发射火箭变得容易。

不过，在发射前赋予火箭一定的初速度，对火箭来说的确是有帮助的。从高空发射火箭的另外的好处就是避开了较为稠密的大气，让空气阻力的影响尽量减小，从而也能节省一部分燃料。摸清楚飞马座火箭的气动特性后，我们就能够进行进一步地计算了。按照速度增量来说，空中发射的运载火箭节省了地面发射的运载火箭在前20秒内燃烧的燃料。如果综合考虑其他因素的话，节省的燃料还会更多。或者，从另外一个角度来计算：如果这枚飞马座火箭不由L-1011带到高空发射，而是从地面发射的话，需要在火箭尾部增加一个怎样的助推级呢？

略掉计算过程，直接给出计算结果吧：为减少气动阻力，我们仍采用直径1.27米的设计（与飞马座火箭直径相同）。那么，我们需要6.861吨的HTPB固体火箭燃料。即使保守估计，这枚助推器的壳体也会有1吨重。也就是说，用L-1011空射18.5吨重的飞马座火箭如果改为从地面发射的话，需要加上一个7.861吨重的固体火箭助推器。空射运载火箭与地面发射的运载火箭之间的对比，小火箭觉得用这个计算结果已经比较能够说明问题了。欢迎工程师们和爱好者们提供自己的计算结果，一起讨论。本文在这里算是抛砖引玉了。endprint