4 月 13 日，世界上最大的飛機——“平流層發(fā)射（Stratolaunch）”在美國加州的莫哈韋沙漠順利完成了首飛。

這架翼展比一座足球場還要長的巨型雙體飛機，將被用于直接從萬米高空上的平流層中發(fā)射火箭，從而有望大幅降低衛(wèi)星、飛船等航天器的發(fā)射成本。

打造最大飛機“平流層發(fā)射”的 Stratolaunch Systems公司由前微軟創(chuàng)始人保羅·艾倫（Paul Allen）創(chuàng)立，但他已于去年去世，沒能見證到自己畢生夢想實現(xiàn)的時刻。

這次的成功首飛，宣示著“空中發(fā)射運載火箭”這種廉價的發(fā)射技術(shù)，進入到了大型化的新紀元，或?qū)⒁l(fā)商業(yè)航天領(lǐng)域的新一輪競賽。

圖丨起飛中的“平流層發(fā)射”（來源：StratolaunchSystems）

平流層發(fā)射——空中發(fā)射的新紀元

常規(guī)的航天器發(fā)射，使用的是在地面點火的火箭。火箭需要在專門的發(fā)射場，選擇特定的發(fā)射窗口時間，在高度、速度均為零的情況下，把衛(wèi)星等航天器加速到足夠快的速度，脫離地球引力，進入到預(yù)定軌道。

為了降低衛(wèi)星發(fā)射的成本，大家提出了各種各樣不同的思路，其中包括：

1、SpaceX 選擇的可回收火箭思路：依然用火箭發(fā)射，但火箭不再是一次性的；

2、航天飛機思路：直接用航天飛機在地球軌道上“放置”衛(wèi)星。但因高昂的維護成本而取消。

“平流層發(fā)射”的路線，則介于上述兩者之間。

它采用空中發(fā)射思路，利用飛機為第一級運載器，從常規(guī)的機場起飛，將運載火箭運送到飛機航程內(nèi)的指定發(fā)射空域，在較高的高度和較快的飛行速度下，運載火箭與飛機實現(xiàn)分離之后，再使用自身的發(fā)動機提供動力，最終將載荷送入指定的地球軌道。

圖丨“平流層發(fā)射”發(fā)射運載火箭的過程（來源：Stratolaunch Systems）

與常規(guī)的發(fā)射方式相比，空中發(fā)射具有以下幾個優(yōu)勢：

首先，低成本。可以反復(fù)起飛的飛機是發(fā)射過程中的第一級，火箭自帶的發(fā)動機在萬米高空才點火，可以大幅降低發(fā)射對于運載火箭第一級在推力、功率、燃料攜帶、重量上的設(shè)計難度，速度的降低也使得空氣阻力對火箭外形的要求降低，從而大幅降低發(fā)射成本。

第二，可靠性。與可回收火箭相比，飛機是可靠得多的設(shè)備。由于飛機的所有零部件都是按照數(shù)十年反復(fù)使用的壽命要求設(shè)計的，其可重復(fù)次數(shù)遠大于按照單次或幾次使用的標準設(shè)計的火箭。此外，全世界懂得維護飛機的人和地方，也比懂得維護火箭的多得多。因此，空中發(fā)射可以充分利用現(xiàn)成的技術(shù)、設(shè)備、場地和設(shè)施。這意味著空中直接發(fā)射火箭有著極高的可靠性。

第三，地域上的靈活性。空中發(fā)射火箭的飛機，理論上可以在任何機場、采用任何射向起飛并進行發(fā)射，而不用興建或使用特殊的發(fā)射場地。以火箭點火的預(yù)定空域為圓心、以飛機航程為半徑畫一個圓，范圍內(nèi)所有適合的機場都可以用于航天器的發(fā)射，從而可以讓火箭發(fā)射擺脫發(fā)射場地的限制，還可以極大地拓寬航天器的軌道選擇范圍，并降低租用地面設(shè)施的成本。

第四，時間上的靈活性。空中發(fā)射的準備時間比較短。固定場地發(fā)射需要提前幾個月確定發(fā)射計劃，全年可以發(fā)射的次數(shù)很有限，如果遇到惡劣天氣等原因?qū)е掳l(fā)射推遲，損失非常大。而空中發(fā)射只需要提前幾天安排發(fā)射計劃，“平流層發(fā)射”稱預(yù)訂他們的發(fā)射計劃，就像買機票選座位一樣簡單，如果遇到惡劣天氣，性質(zhì)頂多也就像飛機延誤那么嚴重，等幾天就可以再來。一架飛機每年可以執(zhí)行次數(shù)上多得多的發(fā)射任務(wù)，可以進一步提高收益，降低成本。

但這也意味著，執(zhí)行空中發(fā)射任務(wù)的飛機，最好可以做到：

1. 足夠大，才能盡可能多地攜帶載荷；

2. 飛得足夠遠，才能增加機場和軌道的選擇范圍；

3. 飛得足夠快、足夠高，才能讓火箭分離時，盡可能在更高的位置獲得更高的速度，從而降低不可回收的火箭部分的建造和燃料成本。

從上世紀 90 年代開始，美國就開始利用 B-52 戰(zhàn)略轟炸機、洛歇三星（Lockheed L-1011 TriStar）寬體噴氣客機等平臺發(fā)射小型的有翼運載火箭——飛馬座（Pegasus），來運載 443 公斤以下的小型衛(wèi)星進入低軌道。到目前為止，利用成熟機型發(fā)射的飛馬座火箭已經(jīng)成功完成了 43 次發(fā)射任務(wù)，將 94 顆衛(wèi)星發(fā)送到了太空中。

圖丨飛馬座火箭（來源：Wikicommons）

俄羅斯也曾研究過利用伊爾-76MD、安-124 或安-225 貨運飛機作為發(fā)射平臺發(fā)射火箭，并計劃將每千克有效載荷的發(fā)射成本控制到低于 5000 美元。

去年 11 月，英國維珍集團旗下的維珍軌道公司（VirginOrbit）也將自己開發(fā)的空射運載火箭 LauncherOne，掛載在一架波音 747 客機的左側(cè)機翼下面，進行了掛載（而沒有發(fā)射）試飛，并取得了成功。

那么，空射技術(shù)發(fā)展到這個地步，需要的就是一臺專門的飛行平臺，而不是兼職的各種飛機了。

這也是保羅·艾倫對 Stratolaunch Systems 的期待之一。發(fā)射當(dāng)天，Stratolaunch 團隊的士氣高漲。Stratolaunch Systems 首席執(zhí)行官 Jean FloydFloyd 說: “我們把這一天獻給保羅·艾倫。”

保羅·艾倫和世界上最大的飛機

保羅·艾倫有著傳奇的一生，擁有發(fā)明家、投資家、考古學(xué)家和慈善家等多重身份。

1975 年，他和比爾·蓋茨共同創(chuàng)立了微軟，為微軟早期的立足、發(fā)展壯大立下了汗馬功勞。然而，1983 年，艾倫患上了霍奇金氏淋巴瘤，從而辭去了微軟的職務(wù)。戰(zhàn)勝病魔之后，我們開始在不同的領(lǐng)域聽到他的名字：

* 他擁有 43 項發(fā)明專利；

* 在體育領(lǐng)域，他是 NBA 的波特蘭開拓者隊和 NFL 的西雅圖海鷹隊的老板；

* 在藝術(shù)領(lǐng)域，他投資拍攝了多部電影，獲得了不少大獎；

* 他生前組成的考古隊，于今年 2 月份在 5400 米深的太平洋海底，發(fā)現(xiàn)了二戰(zhàn)時被日本海軍擊沉的美國海軍航空母艦大黃蜂號；

* 他資助過腦科學(xué)、人工智能、細胞生物學(xué)等多個領(lǐng)域的科學(xué)研究，在教育、環(huán)保、藝術(shù)、埃博拉病毒防治等領(lǐng)域捐款超過 20 億美元……

但我們今天要提的，是他對航空事業(yè)的鐘情。

圖丨保羅·艾倫和他的老飛機（來源：Wikicommons）

除了修復(fù)和收藏二戰(zhàn)時期的戰(zhàn)斗機，保羅·艾倫還參與贊助了 Ansari X Prize 太空競賽大獎，旨在獎勵“第一個在兩周內(nèi)發(fā)射兩次可重復(fù)使用載人飛船進入太空”的人。2004 年，縮尺復(fù)合體公司（Scaled Composites）的伯特·魯坦（Burt Rutan），設(shè)計了一個名叫“太空船一號（SpaceShipOne）”的亞軌道飛行器，一舉獲得了該獎的 1000 萬美金獎金。

圖丨 首次實現(xiàn)兩周內(nèi)發(fā)射兩次進入太空的 SpaceShipOne 可重復(fù)使用載人飛船（來源：Wikipedia）

而 Scaled Composites 的背后，正是魯坦和艾倫共同創(chuàng)立的 Mojave Aerospace Ventures：艾倫是這個公司唯一的投資人。

在這家公司的基礎(chǔ)上，二人于 2011 年共同成立了平流層發(fā)射系統(tǒng)（Stratolaunch Systems）公司，宣布了開發(fā)雙體、6 引擎空射飛機的計劃，并與飛馬座火箭的開發(fā)者 Orbital ATK 展開合作。

然而，在兩家公司密切合作的過程中，保羅·艾倫因一度已經(jīng)痊愈的非霍奇金氏淋巴瘤復(fù)發(fā)，于 2018 年 10 月 15 日去世，享年 65 歲。

所幸的是，“平流層發(fā)射”飛機的研制，并沒有停下腳步。

這架飛機同樣由 Scaled Composites 打造，由兩個機身組成，全復(fù)合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用保證了飛機更輕、更強。左右兩側(cè)和兩個機身之間各有一段機翼。加上兩邊的機翼，翼展達到了驚人的 117 米，達到了全球最大民航客機——空客 A380 的近 1.5 倍，是航空史上最大的飛機。有網(wǎng)友表示，觀看它的起飛和降落，根本就是在看一座足球場的起飛和降落。（國際足聯(lián)規(guī)定：舉行國際性賽事的足球場地，長度應(yīng)該介乎100至110米，寬度則應(yīng)介乎64至75米）

圖丨起飛前的“平流層發(fā)射”（來源：Vimeo）

機身之間的機翼經(jīng)過了強化，并布置在較高的位置上，除了可以提供升力，更可以懸掛總共超過 22 6 噸的各種想要發(fā)射的航天器，可同時執(zhí)行不同的發(fā)射任務(wù)。

而將運載火箭等航天器懸掛在整個飛機的中線上，并從機翼下面釋放，大幅提高了火箭發(fā)射的安全性。其引擎、航電系統(tǒng)、起落架和飛控系統(tǒng)，都采用成熟可靠的波音 747 技術(shù)，為首飛即成功提供了有力保障。

圖丨大型飛機對比（圖片來源：Wikipedia）

“平流層發(fā)射”的一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)：

長度：73 米

翼展：117 米

高度：15 米

有效載荷：226,796 千克

最大起飛重量：589,670 千克

動力裝置：6 臺普惠 PW4056 渦輪發(fā)動機，每臺推力 252.4 kN

最高速度：853 公里/小時

航程：1,852 km

2019 年 4 月 13 日，“平流層發(fā)射”成功完成了長達 2 小時 29 分鐘的首飛。最高高度 4600 米，最高時速達到了 305 公里/小時。空中火箭發(fā)射技術(shù)進入到了屬于它們的新紀元。

StratolaunchSystems CEO Jean Floyd表示：“是保羅·艾倫激勵了我們，披荊斬棘，解決了世界難題。毫無疑問，如果他可以看到自己的飛機起飛，將感到無比自豪”。

而在該公司官網(wǎng)介紹這次飛行的視頻結(jié)束之后，落款的“Stratolaunch”下面，還有一行醒目的字體：

一家保羅·艾倫的公司。

圖丨一家保羅`艾倫的公司（StratolaunchSystems）

巨大的市場與激烈的競爭

首飛只是第一步。

“平流層發(fā)射”面臨的不只是來自本技術(shù)領(lǐng)域的競爭，更有來自其它技術(shù)路線的競爭。除了維珍，從事空中發(fā)射火箭技術(shù)開發(fā)的公司和機構(gòu)還有很多家，但他們最直接的競爭將來自于純火箭發(fā)射的大贏家——SpaceX。

SpaceX 的 CEO 馬斯克曾公開對空中發(fā)射火箭這種技術(shù)表達過質(zhì)疑。

他認為，飛機可能只能增加 5% 的有效載荷。對于 SpaceX 來說，與其再研發(fā)大型的發(fā)射平臺，還不如把火箭第一級發(fā)動機增大 5%。而且，空射飛機大到一定規(guī)模之后就無法繼續(xù)變大。此外，火箭釋放之后必須通過姿態(tài)調(diào)整來保持穩(wěn)定，為了調(diào)整飛行姿態(tài)，火箭將需要很大的翼面，從而增加重量，降低有效載荷。再有，火箭獲得的速度是水平的，對于垂直速度的增益貢獻有限。

在馬斯克這個思路的引導(dǎo)下，開發(fā)完成可回收火箭的 SpaceX 已經(jīng)牢牢占據(jù)住了商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射市場上最大的份額。盡管 NASA 一貫重視在所有領(lǐng)域的招標環(huán)節(jié)都引入不同的競爭對手，但 SpaceX 留給競爭對手的時間和空間，已經(jīng)不多了。

圖丨商業(yè)航天發(fā)射的市場份額（圖片來源：馬斯克的推特）

但馬斯克做出上述評價的時候，Stratolaunch 尚未證實自己的實力。首飛成功之后，他們必須再加一把力。

首先，他們要做的就將是得到美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）的適航認證。一切順利的話，他們將于明年發(fā)射第一顆衛(wèi)星。一旦投入大規(guī)模生產(chǎn)，他們就將為商業(yè)航天提供一種全新的可能。

圖| "平流層發(fā)射"共有 6 臺發(fā)動機，提供 數(shù)十 噸的有效起飛載荷（來源：Flickr）

至于他們的發(fā)射成本能否與 SpaceX 相競爭，他們究竟能給低成本火箭發(fā)射帶來什么樣的改變，我們拭目以待。