劉 暢, 劉 欣,肖立明, 東華鵬,顧偉軍
(北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京,100076)
空間多次啟動(dòng)、長(zhǎng)期在軌泵壓式動(dòng)力系統(tǒng)方案研究
劉 暢, 劉 欣,肖立明, 東華鵬,顧偉軍
(北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京,100076)
通過對(duì)國(guó)內(nèi)外上面級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析,提出開展上面級(jí)提高啟動(dòng)次數(shù)、延長(zhǎng)在軌時(shí)間研制需求。采用液體推進(jìn)劑啟動(dòng)箱啟動(dòng)的泵壓式主發(fā)動(dòng)機(jī)方案,可實(shí)現(xiàn)泵壓式發(fā)動(dòng)機(jī)空間多次啟動(dòng);采用啟動(dòng)籃方案,可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間滑行多次啟動(dòng)推進(jìn)劑管理。研究結(jié)果表明:多次啟動(dòng)、長(zhǎng)期在軌泵壓式動(dòng)力系統(tǒng)使上面級(jí)的性能和任務(wù)適應(yīng)性得到全面提升。
液體推進(jìn)劑;動(dòng)力系統(tǒng);多次啟動(dòng);長(zhǎng)期在軌;泵壓
上面級(jí)作為航天運(yùn)輸系統(tǒng)的重要組成部分,由基礎(chǔ)級(jí)運(yùn)載器發(fā)射進(jìn)入準(zhǔn)地球軌道或地球軌道,能夠?qū)⒂行лd荷從準(zhǔn)地球軌道或地球軌道送入預(yù)定工作軌道或預(yù)定空間位置的具有自主獨(dú)立性的飛行器,具有多次啟動(dòng)、長(zhǎng)期在軌、自主飛行等特點(diǎn),能夠完成軌道轉(zhuǎn)移、空間部署等任務(wù),是提高運(yùn)載火箭任務(wù)適應(yīng)性的有效途徑。
多次啟動(dòng)、長(zhǎng)期在軌是上面級(jí)的主要技術(shù)特點(diǎn)。美國(guó)的半人馬座上面級(jí)、歐空局阿里安-5的常溫和低溫上面級(jí)、俄羅斯的質(zhì)子號(hào)D級(jí)、微風(fēng)上面級(jí)、Fregrat上面級(jí)等均具備多次啟動(dòng)能力。主動(dòng)力啟動(dòng)次數(shù)小于2次、在軌工作時(shí)間不超過數(shù)小時(shí)的上面級(jí)是無法滿足多星軌道部署、深空探測(cè)等拓展任務(wù)要求的。上面級(jí)具備多次啟動(dòng)、長(zhǎng)時(shí)間在軌能力后,其任務(wù)適應(yīng)性將大大提升,特別是上面級(jí)的動(dòng)力系統(tǒng),突破空間高性能泵壓式多次啟動(dòng)技術(shù)、并聯(lián)貯箱均衡輸送技術(shù)、多次啟動(dòng)推進(jìn)劑管理等關(guān)鍵技術(shù)后,將進(jìn)一步拓展上面級(jí)的應(yīng)用領(lǐng)域。
1.1 動(dòng)力系統(tǒng)的分類
液體動(dòng)力系統(tǒng)根據(jù)推進(jìn)劑供應(yīng)方式的不同可分為泵壓式動(dòng)力系統(tǒng)和擠壓式動(dòng)力系統(tǒng)。泵壓式動(dòng)力系統(tǒng)通過渦輪泵向發(fā)動(dòng)機(jī)推力室輸送推進(jìn)劑,貯箱壓力低;擠壓式動(dòng)力系統(tǒng)直接利用貯箱壓力將推進(jìn)劑擠壓到發(fā)動(dòng)機(jī)推力室,沒有渦輪泵,貯箱壓力高。
1.2 動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)分析
擠壓系統(tǒng)和泵壓系統(tǒng)各有優(yōu)、缺點(diǎn),在選擇供應(yīng)系統(tǒng)時(shí),應(yīng)在滿足航天器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)要求的前提下,盡量發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)。擠壓式動(dòng)力系統(tǒng)和泵壓式動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。
表1 擠壓式與泵壓式系統(tǒng)比較
由表1可知,對(duì)于小推力、工作時(shí)間短的任務(wù)宜采用擠壓式動(dòng)力系統(tǒng),對(duì)于推力大、工作時(shí)間長(zhǎng)的任務(wù),由于擠壓式動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量大,因此采用泵壓式動(dòng)力系統(tǒng)可顯著減輕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)質(zhì)量,提高運(yùn)載能力。
2.1 主發(fā)動(dòng)機(jī)多次啟動(dòng)技術(shù)
對(duì)于啟動(dòng)次數(shù)少于 2次的泵壓式動(dòng)力系統(tǒng),可采用火藥啟動(dòng)器啟動(dòng)方案;啟動(dòng)次數(shù)若達(dá)到 2次以上,多個(gè)火藥啟動(dòng)器布局難度大,其應(yīng)用受到限制。泵壓式動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)空間多次啟動(dòng),可采用液體推進(jìn)劑啟動(dòng)箱方案。
圖1為采用液體推進(jìn)劑啟動(dòng)箱方案的泵壓式多次啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)工作原理。
由圖1可知,發(fā)動(dòng)機(jī)主要由燃燒室、氧化劑泵、燃料泵、渦輪、燃?xì)獍l(fā)生器、氧化劑啟動(dòng)箱、燃料啟動(dòng)箱、閥門等組成。啟動(dòng)箱內(nèi)部設(shè)置隔膜,將擠壓氣體和液體推進(jìn)劑分開。在發(fā)射前,通過地面設(shè)備分別向氧化劑和燃料啟動(dòng)箱內(nèi)加注氧化劑、燃料,同時(shí)向啟動(dòng)箱充擠壓氣體,啟動(dòng)箱也可待飛行中上面級(jí)與基礎(chǔ)級(jí)分離后、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火前靠貯箱壓力在軌充填推進(jìn)劑。
飛行過程中,接到啟動(dòng)指令后,按照一定的時(shí)序,將氧化劑、燃料副閥和主閥分別打開,啟動(dòng)箱中的推進(jìn)劑擠入燃?xì)獍l(fā)生器,燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火后產(chǎn)生高溫、高壓燃?xì)怛?qū)動(dòng)渦輪并帶動(dòng)泵工作,同時(shí)推進(jìn)劑進(jìn)入推力室中燃燒并產(chǎn)生推力。當(dāng)兩泵出口壓力上升,泵后壓力大于啟動(dòng)箱壓力時(shí),副系統(tǒng)路單向閥打開,泵后推進(jìn)劑一部分進(jìn)入燃?xì)獍l(fā)生器,繼續(xù)驅(qū)動(dòng)渦輪做功,另一部分克服啟動(dòng)箱氣體壓力,充填啟動(dòng)箱,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)到達(dá)額定工況,兩啟動(dòng)箱充填滿。啟動(dòng)箱內(nèi)推進(jìn)劑再次充滿后,可以用于發(fā)動(dòng)機(jī)的下一次啟動(dòng)工作。
泵壓式動(dòng)力系統(tǒng)多次啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)需突破的關(guān)鍵技術(shù)如下:
a)密封技術(shù)。長(zhǎng)時(shí)間工作和多次啟動(dòng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的密封性提出更高的要求??臻g環(huán)境的高真空將帶來材料的疲勞、摩擦、蠕變性能的變化,降低組件完成其功能的能力;此外,長(zhǎng)時(shí)間工作和長(zhǎng)任務(wù)周期,需要考慮推進(jìn)劑與材料的相容性問題。在組件的設(shè)計(jì)過程中,要充分考慮這些因素的影響。如在推力室設(shè)計(jì)中,需要研究噴管延伸段材料在真空環(huán)境下的熱輻射傳熱性能;在泵設(shè)計(jì)中,需要考慮失重對(duì)泵的影響。
b)熱控技術(shù)。影響上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)熱環(huán)境的主要因素有外界輻射(主要是太陽直接輻射)、發(fā)動(dòng)機(jī)本身熱輻射(發(fā)生器、渦輪等高溫組件熱輻射)情況下的高溫問題,以及沒有熱輻射情況下發(fā)動(dòng)機(jī)向空間散熱的低溫問題。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性確定發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)熱環(huán)境控溫目標(biāo)時(shí)應(yīng)充分考慮渦輪泵熱反浸的影響,渦輪泵在每次啟動(dòng)工作結(jié)束后,渦輪的余熱通過軸和殼體向泵進(jìn)行熱傳導(dǎo)和輻射(簡(jiǎn)稱“熱反浸”),使泵入口溫度上升,引起泵流道內(nèi)推進(jìn)劑(尤其是氧化劑)汽化,影響渦輪泵的再次啟動(dòng),嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致再次啟動(dòng)失敗。因此,應(yīng)根據(jù)啟動(dòng)間隔采取相應(yīng)控制措施,控制熱泵啟動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。此外,還需考慮推力室真空低溫啟動(dòng)熱控技術(shù),控制長(zhǎng)期在軌滑行過程中推力室推進(jìn)劑流通通道最低溫度,確保推進(jìn)劑可靠正常充填溫度條件。
c)系統(tǒng)方案優(yōu)化技術(shù)。對(duì)于上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī),發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、結(jié)構(gòu)質(zhì)量、結(jié)構(gòu)尺寸都將直接影響到有效載荷質(zhì)量,因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量提高性能,減小結(jié)構(gòu)質(zhì)量和結(jié)構(gòu)尺寸,進(jìn)行系統(tǒng)方案優(yōu)化,合理安排總體布局。2.2 推進(jìn)劑均衡輸送技術(shù)
受整流罩空間限制,上面級(jí)多采用同種推進(jìn)劑并聯(lián)貯箱的構(gòu)型方案。與單個(gè)貯箱相比,并聯(lián)貯箱方案需要考慮雙箱不均衡排放問題,否則雙箱排放不均衡,導(dǎo)致貯箱液位不一致,引起上面級(jí)質(zhì)心偏移,若一個(gè)貯箱提前耗盡,將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣,影響動(dòng)力系統(tǒng)正常工作。
為抑制飛行過程中同種推進(jìn)劑并聯(lián)貯箱輸送系統(tǒng)推進(jìn)劑的不均衡輸送,可在同種推進(jìn)劑并聯(lián)貯箱之間增加連通管路,將貯箱連通,通過過載使液面平衡,也可在系統(tǒng)流阻較小的分支輸送管路中布置阻力元件,通過計(jì)算和地面精確匹配試驗(yàn)篩選出合適的限流組件,增加流阻較小的分支系統(tǒng)局部阻力,實(shí)現(xiàn)并聯(lián)兩分支系統(tǒng)的流阻接近。采用精確匹配分支流阻的方法可簡(jiǎn)化管路系統(tǒng),減輕系統(tǒng)質(zhì)量。
地面精確匹配試驗(yàn)一般采用試驗(yàn)工質(zhì)(如去離子水),試驗(yàn)完成后再換算為推進(jìn)劑狀態(tài)。輸送管流阻換算根據(jù)雷諾數(shù)相等的準(zhǔn)則,在雷諾數(shù)相同情況下,將去離子水狀態(tài)下的流阻換算為推進(jìn)劑狀態(tài)下的流阻。
2.3 推進(jìn)劑管理技術(shù)
長(zhǎng)時(shí)間在軌上面級(jí)在軌工作期間,需經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間的在軌滑行和主發(fā)動(dòng)機(jī)多次啟動(dòng)。在空間微重力條件下,為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng),需要對(duì)推進(jìn)劑進(jìn)行管理,確保主發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)為其提供不夾氣的推進(jìn)劑。
可充填式啟動(dòng)籃可用于需要多次啟動(dòng)的系統(tǒng)。具有如下特點(diǎn),a)體積小、結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕;b)可實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)和裝配;c)具有較強(qiáng)的任務(wù)適應(yīng)性;d)相比較于海綿管理裝置,可充填式啟動(dòng)籃可以在地面進(jìn)行充填試驗(yàn)。
以中國(guó)某型上面級(jí)為例,貯箱內(nèi)采用啟動(dòng)籃管理裝置,通過啟動(dòng)籃可實(shí)現(xiàn)主機(jī)多次啟動(dòng)前推進(jìn)劑的蓄留管理。采用啟動(dòng)籃后,可以取消推進(jìn)劑沉底系統(tǒng),簡(jiǎn)化動(dòng)力系統(tǒng)工作時(shí)序,節(jié)約沉底用量。啟動(dòng)籃為封閉結(jié)構(gòu),利用表面張力保持和提供一定量推進(jìn)劑,并且啟動(dòng)籃可再充填。與海綿表面張力管理裝置不同,啟動(dòng)籃在零加速度下不能再充填,且必須使用多孔元件,如篩網(wǎng)或多孔板來保持推進(jìn)劑??稍俪涮畹膯?dòng)籃如圖2所示。
啟動(dòng)籃基本工作原理為:發(fā)動(dòng)機(jī)完成一次工作后,啟動(dòng)籃內(nèi)部為推進(jìn)劑充填滿狀態(tài)。這時(shí),如果存在側(cè)向或者反向加速度,貯箱內(nèi)的推進(jìn)劑可能沉積在遠(yuǎn)離貯箱出口的位置,而啟動(dòng)籃內(nèi)部的推進(jìn)劑由于啟動(dòng)籃內(nèi)部篩網(wǎng)的表面張力作用,被約束在啟動(dòng)籃內(nèi)部。啟動(dòng)籃內(nèi)部蓄留的推進(jìn)劑可以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)再次啟動(dòng)要求,發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后,產(chǎn)生沉底加速度,沉積在貯箱上壁的推進(jìn)劑沉積下來,對(duì)啟動(dòng)籃再次充填。啟動(dòng)籃充填滿后,準(zhǔn)備下一次啟動(dòng)。通過上述啟動(dòng)籃的蓄留作用,提供主機(jī)自身啟動(dòng)期間所需的液體推進(jìn)劑,而不需要姿控發(fā)動(dòng)機(jī)工作進(jìn)行推進(jìn)劑沉底,從而節(jié)省沉底消耗量。
啟動(dòng)籃需要有足夠的容積才能保證發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)期間推進(jìn)劑正常供應(yīng),啟動(dòng)籃容積主要取決于貯箱內(nèi)推進(jìn)劑沉底時(shí)間與發(fā)動(dòng)機(jī)的流量。由于各次啟動(dòng)中,隨著推進(jìn)劑消耗,上面級(jí)總質(zhì)量逐漸減小,加速度逐漸增大,因此主發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí),使上面級(jí)產(chǎn)生的最小加速度為
式中 F為主發(fā)動(dòng)機(jī)推力;M0為上面級(jí)首次點(diǎn)火前總質(zhì)量。
貯箱內(nèi)推進(jìn)劑沉底時(shí)間為
式中 n為無量綱沉底時(shí)間特征系數(shù),一般取 10;H為貯箱理論高度。
沉底時(shí)間內(nèi)將消耗啟動(dòng)籃內(nèi)部的推進(jìn)劑,以氧化劑為例,消耗的氧化劑質(zhì)量為
式中om˙為主發(fā)動(dòng)機(jī)氧化劑流量。氧化劑啟動(dòng)籃設(shè)計(jì)容積為
式中oρ為氧化劑密度;f為安全系數(shù);n1為氧化劑貯箱數(shù)量。
多次啟動(dòng)、長(zhǎng)期在軌泵壓式動(dòng)力系統(tǒng)方案已應(yīng)用于某型上面級(jí),該上面級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)采用泵壓式方案,具備空間20次以上啟動(dòng)能力,在軌時(shí)間不低于2天。推進(jìn)劑采用常規(guī)推進(jìn)劑偏二甲肼/四氧化二氮,主發(fā)動(dòng)機(jī)為泵壓式雙組元發(fā)動(dòng)機(jī),循環(huán)方式為燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán),采用液體啟動(dòng)箱啟動(dòng)方案實(shí)現(xiàn)空間多次啟動(dòng)。貯箱增壓采用氣瓶貯氣常溫氦氣增壓方案,輸送系統(tǒng)為同種推進(jìn)劑并聯(lián)貯箱輸送模式,通過地面試驗(yàn)使分支流阻差在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。推進(jìn)劑管理采用可再充填式啟動(dòng)籃方案。
上面級(jí)飛行試驗(yàn)結(jié)果證明,主發(fā)動(dòng)機(jī)按預(yù)定設(shè)計(jì)完成了9次點(diǎn)火,表2為主發(fā)動(dòng)機(jī)各次點(diǎn)火和滑行時(shí)間,各次點(diǎn)火過程中主發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)箱排放、充填正常,發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)協(xié)調(diào)、匹配。貯箱壓力及發(fā)動(dòng)機(jī)入口壓力滿足設(shè)計(jì)要求,并聯(lián)貯箱由于在地面通過了分支輸送管路流阻匹配,飛行過程中貯箱均衡輸送過程正常,未出現(xiàn)一個(gè)貯箱提前耗盡的現(xiàn)象。啟動(dòng)籃在各次啟動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)了正常排液和充填,保證了不夾氣的推進(jìn)劑供應(yīng),滿足多次啟動(dòng)推進(jìn)劑管理要求。
表2 主發(fā)動(dòng)機(jī)各次點(diǎn)火、滑行時(shí)間
根據(jù)飛行試驗(yàn)結(jié)果,多次啟動(dòng)、長(zhǎng)期在軌泵壓式動(dòng)力系統(tǒng)中,發(fā)動(dòng)機(jī)、推進(jìn)劑輸送、推進(jìn)劑管理等各分系統(tǒng)工作協(xié)調(diào)、匹配,為上面級(jí)提供所需的沖量,方案合理可行。
本文通過對(duì)國(guó)內(nèi)外上面級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)的現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)分析,國(guó)外較先進(jìn)的上面級(jí)的特征是具備主發(fā)動(dòng)機(jī)多次啟動(dòng)、長(zhǎng)期在軌工作的能力。以中國(guó)某型上面級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)為例,開展了多次啟動(dòng)泵壓式動(dòng)力系統(tǒng)方案研究。系統(tǒng)采用液體推進(jìn)劑啟動(dòng)箱實(shí)現(xiàn)泵壓式發(fā)動(dòng)機(jī)空間多次啟動(dòng),采用啟動(dòng)籃實(shí)現(xiàn)多次啟動(dòng)推進(jìn)劑管理,通過地面分支輸送管路流阻匹配,實(shí)現(xiàn)并聯(lián)貯箱均衡輸送。采用上述動(dòng)力系統(tǒng)方案,獲得高性能的同時(shí),實(shí)現(xiàn)泵壓式動(dòng)力系統(tǒng)多次啟動(dòng)、長(zhǎng)期在軌工作。
空間多次啟動(dòng)、長(zhǎng)期在軌泵壓式動(dòng)力系統(tǒng)的成功研制,使中國(guó)上面級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)達(dá)到國(guó)際主流液體上面級(jí)的先進(jìn)水平,使上面級(jí)的性能和任務(wù)適應(yīng)性得到全面提升。
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平流層空射系統(tǒng)研制取得階段性進(jìn)展
9月 19日平流層空射系統(tǒng)公司宣布,在莫哈維航空航天港成功地在一架巨型飛機(jī)上進(jìn)行 6臺(tái)渦扇噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的第 1輪試驗(yàn)。該巨型飛機(jī)是該公司空射運(yùn)載火箭系統(tǒng)的載機(jī),此次試驗(yàn)標(biāo)志著該公司在平流層空射系統(tǒng)研制中取得了里程碑式的進(jìn)展。
本輪試驗(yàn)分為3步:a)不加注燃料,采用輔助動(dòng)力裝置給發(fā)動(dòng)機(jī)供電;b)加注燃料,驗(yàn)證相關(guān)操作性能和貯箱密封性能;c)測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī),每次啟動(dòng)一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī),驗(yàn)證其空轉(zhuǎn)性能。試驗(yàn)中,每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)工作正常,性能均達(dá)到預(yù)期要求。參與試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)來自于兩架波音 747飛機(jī),由普?惠公司研制,型號(hào)為PW4056,單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)可產(chǎn)生257 kN的推力。
除發(fā)動(dòng)機(jī)試車,該公司還對(duì)控制、電氣、氣動(dòng)和火警系統(tǒng)進(jìn)行了性能測(cè)試。該公司還表示,在接下來的幾個(gè)月內(nèi),將繼續(xù)對(duì)載機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行更高功率等級(jí)的試車,并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行一些適應(yīng)性改變,最后進(jìn)行滑行試驗(yàn)。
平流層空射系統(tǒng)使用的載機(jī)為雙機(jī)身巨型飛機(jī),其翼展超過117 m,結(jié)構(gòu)質(zhì)量為226.8 t。作為發(fā)射平臺(tái),該載機(jī)可搭載質(zhì)量為250 t的運(yùn)載火箭系統(tǒng)。按計(jì)劃,在載機(jī)投入使用后,首先將用于搭載軌道ATK公司的飛馬座XL運(yùn)載火箭(一次可搭載3枚火箭)。
Research on the Propulsion System of Multiple Ignitions and Long Duration in Orbit
Liu Chang, Liu Xin, Xiao Li-ming, Dong Hua-peng, Gu Wei-jun
(Beijing Institute of Astronautical System Engineering, Beijing, 100076)
The technique situation and development tendency of upper stage propulsion system developed at home and aboard is analyzed. The multiple ignitions and long duration in orbit is required. A liquid propellant start box for turbo-pump engine is adopted to achieve multiple ignitions. A start basket propellant management device is adopted to realize propellant management in long duration of orbit. Due to these measures, the performance and flexibility of the upper stage are improved.
Liquid propellant; Propulsion system; Multiple ignition; Long duration; Turbo-pump
V43
A
1004-7182(2017)05-0041-04
10.7654/j.issn.1004-7182.20170510
2016-10-13;
2017-08-30
劉 暢(1980-),男,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)樯厦婕?jí)動(dòng)力系統(tǒng)
(張綠云 陳允宗 摘譯自http://spacenews.com/engine-test-latest-step-for-stratolaunchs-giant-aircraft[2017-09-19])