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

发表于:2019-03-26

原创: 靖海   DeepTech 深科技 2019421

 

4 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。

 

 

打造最大飞机平流层发射 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:

 

1SpaceX 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 : “ 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

 

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 10 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100110米,宽度则应介乎6475

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

·      翼展:117

·      高度:15

·      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 4 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

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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 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。

| "平流层发射"共有 6 台发动机,提供 数十 吨的有效起飞载荷(来源:Flickr

 

至于他们的发射成本能否与 SpaceX 相竞争,他们究竟能给低成本火箭发射带来什么样的改变,我们拭目以待。

 

-End-

 

责编:黄珊

参考:

1.http://www.northropgrumman.com/capabilities/pegasus/Pages/default.aspx

2.https://twitter.com/elonmusk/status/1098619793844797441

3https://arstechnica.com/science/2019/04/stratolaunch-the-worlds-biggest-airplane-takes-flight/

4.https://en.wikipedia.org/wiki/Air_launch_to_orbit

5.http://www.stratolaunch.com/

6.https://en.wikipedia.org/wiki/Scaled_Composites_Stratolaunch

7.https://www.dw.com/zh/%E5%BE%AE%E8%BD%AF%E5%88%9B%E5%A7%8B%E4
%BA%BA%E9%81%97%E4%BA%A7%E4%B8%96%E7%95%8C%E6%9C%80%E5%A4%A7
%E9%A3%9E%E6%9C%BA%E5%AE%8C%E6%88%90%E5%A4%84%E5%A5%B3%E8%88%AA/a-48320781

8. https://news.ifeng.com/c/7lrzzLsJI7P

9.https://baike.baidu.com/item/%E7%A9%BA%E4%B8%AD%E5%8F%91%E5%B0%84

10. https://www.youtube.com/watch?v=rBSJEYq9vBg

11. 潘清,廖育荣,王斌等编著, 快速响应空间概念与研究进展, 国防工业出版社,2010.01