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世界最大飞机成功首飞,翼展长过足球场!已故微软联合创始人打造,美航天界又一颗新星升起

2019-04-21  gyjian

4 月 13 日,世界上最大的飞机——“平流层发射(Stratolaunch)”在美国加州的莫哈韦沙漠顺利完成了首飞。

这架翼展比一座足球场还要长的巨型双体飞机,将被用于直接从万米高空上的平流层中发射火箭,从而有望大幅降低卫星、飞船等航天器的发射成本。

频| “平流层发射“ 首飞(来源:Stratolaunch Systems

打造最大飞机“平流层发射”的 Stratolaunch Systems 公司由前微软创始人保罗·艾伦(Paul Allen)创立,但他已于去年去世,没能见证到自己毕生梦想实现的时刻。

这次的成功首飞,宣示着“空中发射运载火箭”这种廉价的发射技术,进入到了大型化的新纪元,或将引发商业航天领域的新一轮竞赛。

 

图丨起飞中的“平流层发射”(来源:Stratolaunch Systems 

平流层发射——空中发射的新纪元

常规的航天器发射,使用的是在地面点火的火箭。火箭需要在专门的发射场,选择特定的发射窗口时间,在高度、速度均为零的情况下,把卫星等航天器加速到足够快的速度,脱离地球引力,进入到预定轨道。

为了降低卫星发射的成本,大家提出了各种各样不同的思路,其中包括:

1、SpaceX 选择的可回收火箭思路: 依然用火箭发射,但火箭不再是一次性的;

2、航天飞机思路:直接用航天飞机在地球轨道上“放置”卫星。但因高昂的维护成本而取消。

“平流层发射”的路线,则介于上述两者之间。

它采用空中发射思路,利用飞机为第一级运载器,从常规的机场起飞,将运载火箭运送到飞机航程内的指定发射空域,在较高的高度和较快的飞行速度下,运载火箭与飞机实现分离之后,再使用自身的发动机提供动力,最终将载荷送入指定的地球轨道。

图丨“平流层发射”发射运载火箭的过程(来源:Stratolaunch Systems

与常规的发射方式相比,空中发射具有以下几个优势:

首先,低成本。可以反复起飞的飞机是发射过程中的第一级,火箭自带的发动机在万米高空才点火,可以大幅降低发射对于运载火箭第一级在推力、功率、燃料携带、重量上的设计难度,速度的降低也使得空气阻力对火箭外形的要求降低,从而大幅降低发射成本。

第二,可靠性。与可回收火箭相比,飞机是可靠得多的设备。由于飞机的所有零部件都是按照数十年反复使用的寿命要求设计的,其可重复次数远大于按照单次或几次使用的标准设计的火箭。此外,全世界懂得维护飞机的人和地方,也比懂得维护火箭的多得多。因此,空中发射可以充分利用现成的技术、设备、场地和设施。这意味着空中直接发射火箭有着极高的可靠性。

第三,地域上的灵活性。空中发射火箭的飞机,理论上可以在任何机场、采用任何射向起飞并进行发射,而不用兴建或使用特殊的发射场地。以火箭点火的预定空域为圆心、以飞机航程为半径画一个圆,范围内所有适合的机场都可以用于航天器的发射,从而可以让火箭发射摆脱发射场地的限制,还可以极大地拓宽航天器的轨道选择范围,并降低租用地面设施的成本。

第四,时间上的灵活性。空中发射的准备时间比较短。固定场地发射需要提前几个月确定发射计划,全年可以发射的次数很有限,如果遇到恶劣天气等原因导致发射推迟,损失非常大。而空中发射只需要提前几天安排发射计划,“平流层发射”称预订他们的发射计划,就像买机票选座位一样简单,如果遇到恶劣天气,性质顶多也就像飞机延误那么严重,等几天就可以再来。一架飞机每年可以执行次数上多得多的发射任务,可以进一步提高收益,降低成本。

但这也意味着,执行空中发射任务的飞机,最好可以做到:

1. 足够大,才能尽可能多地携带载荷;

2. 飞得足够远,才能增加机场和轨道的选择范围;

3. 飞得足够快、足够高,才能让火箭分离时,尽可能在更高的位置获得更高的速度,从而降低不可回收的火箭部分的建造和燃料成本。

从上世纪 90 年代开始,美国就开始利用 B-52 战略轰炸机、洛歇三星(Lockheed L-1011 TriStar)宽体喷气客机等平台发射小型的有翼运载火箭——飞马座(Pegasus),来运载 443 公斤以下的小型卫星进入低轨道。到目前为止,利用成熟机型发射的飞马座火箭已经成功完成了 43 次发射任务,将 94 颗卫星发送到了太空中。


图丨飞马座火箭(来源:Wikicommons)

俄罗斯也曾研究过利用伊尔-76MD、安-124 或安-225 货运飞机作为发射平台发射火箭,并计划将每千克有效载荷的发射成本控制到低于 5000 美元。

去年 11 月,英国维珍集团旗下的维珍轨道公司(VirginOrbit)也将自己开发的空射运载火箭 LauncherOne,挂载在一架波音 747 客机的左侧机翼下面,进行了挂载(而没有发射)试飞,并取得了成功。

那么,空射技术发展到这个地步,需要的就是一台专门的飞行平台,而不是兼职的各种飞机了。

这也是保罗·艾伦对 Stratolaunch Systems 的期待之一。发射当天,Stratolaunch 团队的士气高涨。Stratolaunch Systems 首席执行官 Jean FloydFloyd 说: “ 我们把这一天献给保罗·艾伦

保罗·艾伦和世界上最大的飞机

保罗·艾伦有着传奇的一生,拥有发明家、投资家、考古学家和慈善家等多重身份。

1975 年,他和比尔·盖茨共同创立了微软,为微软早期的立足、发展壮大立下了汗马功劳。然而,1983 年,艾伦患上了霍奇金氏淋巴瘤,从而辞去了微软的职务。战胜病魔之后,我们开始在不同的领域听到他的名字:

* 他拥有 43 项发明专利;

* 在体育领域,他是 NBA 的波特兰开拓者队和 NFL 的西雅图海鹰队的老板;

* 在艺术领域,他投资拍摄了多部电影,获得了不少大奖;

* 他生前组成的考古队,于今年 2 月份在 5400 米深的太平洋海底,发现了二战时被日本海军击沉的美国海军航空母舰大黄蜂号;

* 他资助过脑科学、人工智能、细胞生物学等多个领域的科学研究,在教育、环保、艺术、埃博拉病毒防治等领域捐款超过 20 亿美元……

但我们今天要提的,是他对航空事业的钟情。

图丨保罗·艾伦和他的老飞机(来源:Wikicommons)

除了修复和收藏二战时期的战斗机,保罗·艾伦还参与赞助了 Ansari X Prize 太空竞赛大奖,旨在奖励“第一个在两周内发射两次可重复使用载人飞船进入太空”的人。2004 年,缩尺复合体公司(Scaled Composites)的伯特·鲁坦(Burt Rutan),设计了一个名叫“太空船一号(SpaceShipOne)”的亚轨道飞行器,一举获得了该奖的 1000 万美金奖金。

图丨 首次实现两周内发射两次进入太空的 SpaceShipOne 可重复使用载人飞船(来源:Wikipedia)

而 Scaled Composites 的背后,正是鲁坦和艾伦共同创立的 Mojave Aerospace Ventures:艾伦是这个公司唯一的投资人。

在这家公司的基础上,二人于 2011 年共同成立了平流层发射系统(Stratolaunch Systems)公司,宣布了开发双体、6 引擎空射飞机的计划,并与飞马座火箭的开发者 Orbital ATK 展开合作。

然而,在两家公司密切合作的过程中,保罗·艾伦因一度已经痊愈的非霍奇金氏淋巴瘤复发,于 2018 年 10 月 15 日去世,享年 65 岁。

所幸的是,“平流层发射”飞机的研制,并没有停下脚步。

这架飞机同样由 Scaled Composites 打造,由两个机身组成,全复合结构的应用保证了飞机更轻、更强。左右两侧和两个机身之间各有一段机翼。加上两边的机翼,翼展达到了惊人的 117 米,达到了全球最大民航客机——空客 A380 的近 1.5 倍,是航空史上最大的飞机。有网友表示,观看它的起飞和降落,根本就是在看一座足球场的起飞和降落。(国际足联规定:举行国际性赛事的足球场地,长度应该介乎100至110米,宽度则应介乎64至75米

 

图丨起飞前的“平流层发射”(来源:Vimeo)

机身之间的机翼经过了强化,并布置在较高的位置上,除了可以提供升力,更可以悬挂总共超过 22.6 吨的各种想要发射的航天器,可同时执行不同的发射任务。

而将运载火箭等航天器悬挂在整个飞机的中线上,并从机翼下面释放,大幅提高了火箭发射的安全性。其引擎、航电系统、起落架和飞控系统,都采用成熟可靠的波音 747 技术,为首飞即成功提供了有力保障。

 

图丨大型飞机对比(图片来源:Wikipedia)

“平流层发射”的一些关键数据:

  • 长度:73 米

  • 翼展:117 米

  • 高度:15 米

  • 有效载荷:226,796 千克

  • 最大起飞重量:589,670 千克

  • 动力装置:6 台普惠 PW4056 涡轮发动机,每台推力 252.4 kN

  • 最高速度:853 公里/小时

  • 航程:1,852 km

2019 年 4 月 13 日,“平流层发射”成功完成了长达 2 小时 29 分钟的首飞。最高高度 4600 米,最高时速达到了 305 公里/小时。空中火箭发射技术进入到了属于它们的新纪元。

Stratolaunch Systems CEO  Jean Floyd表示:“是保罗·艾伦激励了我们,披荆斩棘,解决了世界难题。毫无疑问,如果他可以看到自己的飞机起飞,将感到无比自豪”。

而在该公司官网介绍这次飞行的视频结束之后,落款的“ Stratolaunch ”下面,还有一行醒目的字体

一家保罗·艾伦的公司。

图丨一家保罗`艾伦的公司(StratolaunchSystems

巨大的市场与激烈的竞争

首飞只是第一步。

“平流层发射”面临的不只是来自本技术领域的竞争,更有来自其它技术路线的竞争。除了维珍,从事空中发射火箭技术开发的公司和机构还有很多家,但他们最直接的竞争将来自于纯火箭发射的大赢家——SpaceX

SpaceX 的 CEO 马斯克曾公开对空中发射火箭这种技术表达过质疑。

他认为,飞机可能只能增加 5% 的有效载荷。对于 SpaceX 来说,与其再研发大型的发射平台,还不如把火箭第一级发动机增大 5%。而且,空射飞机大到一定规模之后就无法继续变大。此外,火箭释放之后必须通过姿态调整来保持稳定,为了调整飞行姿态,火箭将需要很大的翼面,从而增加重量,降低有效载荷。再有,火箭获得的速度是水平的,对于垂直速度的增益贡献有限。

在马斯克这个思路的引导下,开发完成可回收火箭的 SpaceX 已经牢牢占据住了商业卫星发射市场上最大的份额。尽管 NASA 一贯重视在所有领域的招标环节都引入不同的竞争对手,但 SpaceX 留给竞争对手的时间和空间,已经不多了。

 

图丨商业航天发射的市场份额(图片来源:马斯克的推特)

但马斯克做出上述评价的时候,Stratolaunch 尚未证实自己的实力。首飞成功之后,他们必须再加一把力。

首先,他们要做的就将是得到美国联邦航空管理局(FAA)的适航认证。一切顺利的话,他们将于明年发射第一颗卫星。一旦投入大规模生产,他们就将为商业航天提供一种全新的可能。

 

图| '平流层发射'共有 6 台发动机,提供 22.5 吨的有效起飞载荷(来源:Flickr)

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