世界上最大的飞机——“平流层发射”在美国加州的莫哈韦沙漠顺利完成了首飞-电子发烧友网

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。

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：StratolaunchSystems）

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。

StratolaunchSystems 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。