空中發射

美國空軍航天司令部(AFSPC)於2003年在肯尼迪航天中心的研究報告中將空中發射作為未來理想的低耗、快速響應航天運輸的關鍵技術。迄今為止，美國1990年投入使用的“飛馬座”火箭是唯一正式商業發射運營的空射運載系統。美國的空中發射研究主要集中在F-15、C-17、B-1和B-52幾個機型上。早期“飛馬座”的載機為B-52轟炸機，後來軌道科學公司又採購了L-1011運輸機。投放時，飛機高度約11900m，飛行馬赫數0.8。藉助於特別設計的三角翼提供的氣動力，“飛馬座”火箭能夠保持穩定姿態，將有效載荷送入預定軌道。

俄羅斯於1998年提出以An-124運輸機為載機，在空中發射兩級運載火箭的空中火箭計劃。馬可耶夫設計局提出了基於“靜海”3A或“裏夫”MA運載火箭的空中發射空間運輸系統，使用伊爾-76MD、An-124或安-225貨運飛機作為發射平台。火箭放在機身內部，空中投放，降落傘減速，然後點火。“靜海”3A具有600kg以上的低地軌道有效載荷能力，而“裏夫”MA的有效載荷能力可以接近1000kg。

2004年俄羅斯空中發射公司改裝4架An-124-100型運輸機用於航天發射的申請得到俄政府批准。根據方案，俄羅斯空中發射將採用改裝後的An-124-100型魯斯蘭遠程運輸機作為載機，攜帶長30m、重100t的“飛行”號兩級運載火箭火箭飛至距地面11km的高空。當飛機進入預定位置後，飛機尾部的艙門將被打開，形成一個“斜坡”。被安裝在機艙中的“飛行”號火箭的尾部將暴露在艙口。此後，飛機機身會逐漸豎起。當機身與水平線呈760夾角時，機艙中的大功率活塞將把火箭推向艙口，使其順“斜坡”滑出。與此同時，運輸機將作出緊急躍升的特技飛行動作，使火箭與飛機快速分離。之後，火箭上的降落傘會自動打開，以穩定火箭的飛行姿態。待其穩定飛行6s後，降落傘裝置將與火箭分離，一級火箭發動機會產生約190t的推力，使“飛行”號以3．8km/s的速度飛向預定的太空軌道。該研製計劃需投入經費1．3億美元，預計建成後，將有能力將3t的有效載荷送入近地軌道，每千克有效載荷的發射成本低於5000美元。 ^[1] 

作為第一級運載器，載機的性能指標直接影響到上面級的運載能力。首先是載機的最大起飛質量，這關係到載機能裝載運載火箭與有效載荷的質量。同時還要考慮載機裝載耗油的多少，越多則飛行半徑越大，可以選擇的發射點就越多。在預先設計時，要予以綜合考慮。其次是載機的最大飛行速度和最大使用升限。在上面級火箭與載機分離時，載機的飛行速度和高程越高，其帶來的速度增量也高，對火箭運載能力的提高是很顯著的。 ^[1] 

由於空中運輸空間和載重的限制，需要選擇合適的火箭尺寸和質量；為了保證運輸和發射過程的安全性，需要對現有地面的低温加註以及液壓系統進行改進。通常運載火箭會採用固體推進劑，也可以採用其他火箭燃料。 ^[1] 

根據運載火箭在運輸途中以及發射時與載機的相對位置，可行的組合方式可分為3種：

①背馱式，火箭固定在載機主機體正上方，尾部朝向載機尾翼；

②肚裝式，火箭裝載於載機機艙內，尾部朝向艙門；

③下掛式，火箭懸掛於機腹或機翼下方，尾部朝向載機尾部。應選擇適用於載機和運載火箭的組合方式，同時要考慮經濟實用性。 ^[1] 

在地面發射時，運載火箭在點火前處於穩定的姿態。但是對於空中發射，運載火箭在與載機分離後點火前的一段時間內，姿態處於不受控制的狀態。採用何種方法保持運載火箭的姿態穩定，以使火箭保持準確的射向和合適的姿態點火，是非常重要的。 ^[1] 

對空中發射任務來説，能夠給出衞星目標軌道，但不能確定載機對運載火箭實施發射的地點、時間、狀態，因而不能給出運載火箭的標準彈道和關機時間等參數。運載火箭的點火狀態只能由實時測量得到。這就需要運載火箭具有實時的彈道解算和自主制導能力。 ^[1] 

首先，空中發射的機動性使得能夠利用到的地面測控能力是未知的；其次，測控系統需要對發射過程進行全程監視，必要時進行合理的安控；最後，對點火點運載火箭參數精密測量。考慮到以上三點需求，應研究多方面的測量控制手段。 ^[1] 

例如，為了加大飛行半徑，提高發射點選擇面的空中加油技術、空中發射測試技術、載機運載火箭分離技術等。 ^[1] 

小衞星和微型衞星較小的發射規模加上它們小型化的電子設備為空中發射提供了一個很好的機會，並且這種發射方式價格低廉、風險陛小。空中發射技術不必受到發射地點的限制，可以在世界的任何地點、採用多種射向發射，與地面固定發射場相比，較大程度地拓展了航天器的軌道選取範圍。由於較短的任務準備時間，發射點射向的選擇以及運載器具有的初速和高度，使得在相同運載能力下，與固定發射場相比大大降低了發射成本。應用飛機作為發射系統的第一節不僅能夠減少火箭各節的速度需求、降低氣動阻力、減少大氣壓力的影響，還可以從使用現有的相應支持設施中獲得利益。由於這種發射方式其發射位置相對分散，這樣就為任務的操作帶來了很大的靈活性。 ^[1] 

這種發射方式活動空域大，機動性好，生存能力和攻擊能力強，廣泛應用於空地、空空、空艦和空潛導彈，也可用於發射戰略彈道導彈和巡航導彈。空中發射方法通常有兩種：一是直接從載機上點火發射，二是先從載機上彈射或投放，然後發動機點火。機載發射裝置按結構可分為導軌式和管式；按安裝位置可分為機外式、機內式和混合式。 ^[2] 

考核機載導彈、火箭彈空中發射的可靠性、安全性等試驗。空中發射試驗應在大量地面發射試驗和空中掛飛試驗之後進行，試驗多采用發動機模擬彈（帶真實發動機，其氣動外形和重量、重心與真彈相同），在規定的幾種典型高度、速度和飛行姿態下發射。空中發射要檢查的內容有：

1、發動機點火可靠性；

2、導彈離機後穿過飛機流場區的飛行軌跡和飛行穩定性，是否與飛機結構碰撞；

3、發動機燃氣流對飛機發動機的喘振、停車及腐蝕等影響，並檢查飛機防喘系統協調性；

4、發射瞬間對載機姿態及飛機操縱性的影響；

5、發射瞬間的燃氣壓力、音響和振動對其他懸掛物和機載設備的影響。 ^[3] 

美國北美航空公司的X-15A-2型飛機是世界上最快的固定翼飛機。1964年6月25日首次飛行。這是在原來的X-1SA型飛機的基礎上，經過改造的新機型。由一台液態氧一氨火箭推動系統驅動。飛機骨架的燒蝕材料，曾經受過30000°F的高温。其着陸速度達到過時速389．1公里。1967年10月3日，美國空軍的威廉·J·奈特少校(1930年生)駕駛這架飛機飛行，最快的時速達7274公里(6．7馬赫)。

1963年8月22日，約瑟夫·A·沃克(1920-1966)駕駛X-15A型飛機做飛行表演。在美國加利福尼亞州愛德華茲空軍基地上空飛行：飛行高度達107960米。1968年10月24日，進行了最後一次這種飛行表演。之後這個表演項目就被取消了。

美國國家航空和宇宙航天局羅克韋爾軌道式航天飛機“哥倫比亞”號，在1981年4月12日從佛羅里達州卡納維拉爾角肯尼迪宇航中心發射升空。由美國海軍中校約翰·W·揚指揮，羅伯特·L，克里平操縱。自從1972年以來，研製這架航天飛機已耗資99億美元。“哥倫比亞”號的主機關閉後，時速為26715公里。打破了所有固定翼飛機的飛行紀錄。在122公里高空重返大氣層後，“哥倫比亞”號經受了2160W的高温。1981年4月14日，在美國加利福尼亞州羅傑斯旱湖着陸時，時速達347公里。其返航滑行重量為95噸。

在國際航天聯合會的一項代號為“P”的新類目中，“哥倫比亞”號航天飛機是續航時間最長的紀錄絕對保持者。致1983年11月28日，第6次太空飛行後着陸時為止其續航時間為10天7小時47分23秒種。航天飛機上帶有STS9“太空實驗室廠號和6名宇航員。1986年1月28日，“挑戰者”號航天飛機在卡納維拉爾角發射升空後不久炸燬。

“亞特蘭蒂斯”號航天飛機，保持了飛行高度紀錄。1985年10月3日，在代號為STS51J的首次飛行中，其飛行高度達515公里。

由航天飛機運載並送入軌道的物質最大重量是118697公斤。1984年11月8日，在代號為STSSlA的飛行中，“發現”號航天飛機發射升空，創造了這項紀錄。 ^[4]