海上發射成功!陸上“四大金剛”有話要說

2019-06-06 00:03:28

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NO.1040-衛星發射中心

作者:御風

今天中午有一個大新聞:我國在黃海海域完成了首次“一箭七星”海上發射試驗,為后續大規模海上發射奠定了良好的基礎。

選擇在海上發射,需要航天系統和海工系統的緊密配合,要求條件比較苛刻,成本也較高,所以雖然擁有了技術,但這更多是作為戰略儲備,一般的火箭發射還是要在陸地上完成。

今天人民日報的公眾號發文

我們熟悉的酒泉、西昌等發射基地,就是中國主要的航天發射選址,但卻都是地廣民稀的邊緣地帶。火箭的發射,難道就不能選擇其他地方嗎?

看完今天關于發射場選址的學問,你就會有答案。

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條件嚴苛勝選美

航天發射場的選擇條件嚴苛不啻于選美。

首先是要確保安全。

火箭發射對周邊的影響很大,其上空是禁飛區,發射時不但會造成噪音與大氣污染,而且掉落殘骸可能毀壞建筑,因此不宜在人煙稠密的地區設立發射場,最好選擇在地廣人稀的戈壁、沙漠地帶或者海邊。

比如著名的拜科努爾就相當荒涼

但注意!這是拜科努爾城,而非拜科努爾發射場

(圖片來自[email protected]

發射場離城市也是非常遙遠的

(圖像來自Google map,DigitalGlobe)

如鼎鼎大名的前蘇聯拜科努爾發射場就建立在人煙稀少的半沙漠草原地區(蘇聯對衛星發射場選址很有眼光,孰料人算不如天算,蘇聯解體之后,拜科努爾位于哈薩克斯坦境內,俄羅斯不得不以每年1.15億美元的租金向哈薩克斯坦租用此地),美國肯尼迪航天中心則位于佛羅里達半島。

哈薩克斯坦也算是分到了一塊不錯的蘇聯遺產

而且發射衛星對各個國家來講都是涉及國防安全、國家機密的重大項目,使用的技術代表國家的尖端水平。為防止可能出現敵軍入侵、間諜破壞、情報泄漏、恐怖襲擊等隱患,發射場周邊應具有比較穩定的地緣環境,而且安保壓力較小。

聯盟TMA-16運載火箭被運往拜科努爾發射場

(圖片來自[email protected]/Bill Ingalls)

例如,西昌衛星發射中心位于大涼山腹地中的峽谷,距離邊境很遠,只要谷口派人駐守就可“萬夫莫開”,減輕了安保壓力。這也側面說明了為什么太空競賽是超級大國才能玩的游戲。

而且,要進四川還要先進云南

隨隨便便肯定是進不來的

第二是緯度低的地區有較大優勢。

地球是一個略扁的正球體,以恒定速度繞地軸由西向東自轉,越靠近赤道,發射衛星時借助地球自轉獲得的向東的線速度越大,使用相同的火箭可以將更重的物品送入太空。因此在低緯度地區設立發射場是更加經濟的選擇。

所以要不要來非洲建一個

(圖片來自[email protected]

中國的文昌衛星發射中心、美國的肯尼迪航天中心都考慮到這一點而設立。前蘇聯就比較悲催,由于國土位于高緯度地區而不能享受這一“紅利”。

當然,也沒有設在海南島的最南端

相比之下,同屬高緯度地區的西歐運氣就比較好,借用法國的“海外省”——法屬圭亞那的便宜。歐盟在該地設立的歐洲航天發射中心在北緯5度左右,發射效率高于美、俄、中、日等國,獨占了全球一半以上的衛星發射市場。

法屬圭亞那已經離赤道非常近了

第三是要求交通比較便利,有利于各種儀器和設備的運輸。

火箭發射不僅所需的人員和給養數量巨大,而且設備和儀器數量繁多,體積龐大。如將人類送上月球的土星五號火箭,僅第一級火箭就長42米,直徑達10米。因此衛星發射場對運輸條件有很大依賴,有的地區雖然非常安全,但位置偏僻,交通閉塞,不適宜建立衛星發射場。

土星5號火箭的第一級就相當巨大

(圖片來自[email protected]

通常發射場要么選在靠近鐵路沿線的平坦地區,修建鐵路支線比較便利,可以利用鐵運(如拜科努爾和酒泉);要么選擇靠近大型港口的地區,可以通過水運(如文昌和日本種子島宇宙中心)。

海邊的日本種子島宇宙中心

(圖像來自Google map,DigitalGlobe)

但設立在海邊的發射場也有自己的煩惱,因為海邊的漁業等自然資源通常比較豐富,頻頻發射火箭可能對經濟活動造成影響。種子島宇宙中心就因為當地捕魚工會抗議,平均每年只能發射4次,影響了使用效率。

種子島太空中心的發射

(圖片來自[email protected]

第四是發射場應具有較好的氣象條件。

為了減少意外發生和便于跟蹤監測,發射火箭對氣象條件有嚴格要求。多雷雨,多大霧,多暴風,氣象條件變化劇烈的地區不適宜建立發射場。拜科努爾和酒泉基地氣候干燥,空氣晴好,有利于實驗和發射的天數多;西昌則是川地外圍云霧少,無污染的地區,試驗周期和允許發射的時間長;而文昌基地雖然瀕海,但位于背風坡,受臺風影響也較小。

拜科努爾這個環境確實相當合適

(圖片來自[email protected]/Bill Ingalls)

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我國衛星發射場“四大金剛”

迄今為止,我國共建立了四座衛星發射場,分別是太原衛星發射中心(發射場位于岢嵐縣);酒泉衛星發射中心(發射場位于內蒙古自治區阿拉善盟額濟納旗東風鎮);西昌衛星發射中心(發射場位于大涼山峽谷深處)和文昌衛星發射中心(位于海南島)。

四座發射場的選址各有優勢,除2016年才投入使用的文昌發射中心之外,其余三座發射場各有其光榮歷史。

四座基地中,酒泉衛星發射基地建成時間最早,對中國航天的貢獻最大,知名度最高,是當之無愧的“老大哥”。

中國酒泉衛星發射中心

(圖片來自[email protected]

自1958年運營以來,該基地已經執行過百余次發射任務,創造了中國航天史上的多個“第一次”,其中就包括中國第一顆衛星“東方紅一號”。值得一提的是酒泉基地還是中國唯一的載人航天基地,所有的中國航天員都是從酒泉發射場出發問鼎長天的。

空間技術展上的東方紅一號

(圖片來自[email protected]ücke-Osteuropa)

酒泉基地的優點是僻處巴丹吉林沙漠邊緣,安全和保密性都能得到保障;而且該地區全年少雨,每年適宜發射衛星的天數超過300天,而且可以充分使用從國土上從福建到新疆上千公里的弧形航天測控網絡。

太原衛星發射基地始建于1967年,雖然發射航天器數量不及酒泉和西昌,但卻享有“發射成功率百分之百”的榮譽。

雖然叫中國太原衛星發射中心

但實際上位于山西省西北部的岢嵐縣境內

雖然位置頗為偏僻

但也在很早就修了連接太原的鐵路

(圖像來自Google map,DigitalGlobe)

“老三”西昌衛星發射中心1982年交付使用,很快成為中國航天最重要的商業衛星發生基地,雖然在上世紀九十年代多發生數次發射事故,但后來還是能夠挽回名譽,并擔當了所有“嫦娥”探月工程系列探測器的發射任務。

美國人發現了在月球上著陸的

嫦娥三號著陸器和玉兔號月球車

(圖片來自[email protected]

西昌發射中心的優點是緯度比酒泉和太原都低,缺點是運輸是個大麻煩,大量儀器、設備需要遠征巴山蜀水運抵發射現場。受到橋梁、涵洞承載和容積的限制,例如長征二號系列由于受到鐵路運輸的限制,其組件的最大直徑不能超過3.5米,如果發射大型火箭,只好把組件運到發射場附近安裝。

運進大山里很不容易的

雖然也修了連接的鐵路

(圖像來自Google map,DigitalGlobe)

與三位“大哥”相比,文昌發射基地是“小字輩”,但其規劃時間可以追溯到上世紀七十年代。之所以遲遲未開工建設,是因為彼時處于冷戰時期,南海波譎云詭,中越蘇美多國競逐,在海南島設立這類重要設施有被敵人侵占或轟炸之虞,安全無法保障,最終不得不改在較為不易被攻擊的西昌。

一直到2009年,南海局勢穩定,我國經濟發展也上了快車道,文昌基地才開工建設,至2014年竣工。

這個發射基地最大的優點是緯度低(北緯18度),同型火箭運載能力可提升10%以上,衛星使用壽命可延長2年以上。因此規劃伊始就被設計為發射重型火箭、大質量衛星、大噸位空間站的發射場。

文昌發射場的長征五號

(圖片來自[email protected]篁竹水聲)

因其運送相同質量物品所需燃料更小,更有利于中國航天企業參與國際競爭;它也是四個發射場中唯一一個瀕海基地,運輸便利,火箭箭體直徑幾乎不受限制,可以在總裝之后運至該地;而且從文昌向東、向南1000公里以內均為汪洋大海,發射火箭殘骸墜落造成意外的可能性被降到了最低。

由于建設較晚,文昌基地的設施比三位“大哥”更加先進,很可能后來居上,成為未來中國最繁忙和最有商業價值的衛星發射場。

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未來的趨勢

無論瀕海還是內陸,現在衛星發射場還是位于陸地上,一要占用大量土地,二是可能污染自己的國土,三是很多有能力和有意愿發射衛星的發達國家都位于高緯度地區,設立陸上發射場無論如何都是不太經濟的(位于赤道的亞、非、拉國家地理條件優越,但多是窮國,用不上這些發射場資源),四是固定的發射場的使用效率難免受氣象、窗口期等原因影響。

圭亞那這個很特別

歐洲拿到了很好的發射位置,還不占用歐洲土地

(圭亞那航天中心ELA-3發射架)

(圖片來自[email protected] Semanaz / Philou.cn)

但如果將發射場設在公海之上并可以移動,所有的問題都會迎刃而解。

于是各國開始青睞建設海上發射場。1995年,美、俄、烏克蘭、挪威四國企業合資組成了一個海上發射公司,在赤道附近的海洋中建立了一個發射平臺,這一平臺因緯度低,安全性能好而受到商業衛星甲方青睞,其運載的“天頂號”火箭已多次成功發射。

海上的火箭發射

(圖片來自[email protected]

另外隨著科技發展,人類找到了燃燒效率更高,釋放能量更多的固體燃料以代替液體燃料,將相同重量的物品投送至太空所需的火箭可以更輕,更細,更小,加注燃料的時間也更短。

火箭小型化帶來了衛星發射場的一場革命。

在這一次我國海上發射的案例中,長征十一號運載火箭長度只有21米,直徑只有2米,可以運載和發射微小型衛星。這種火箭可以做到在接到任務命令后24小時內完成發射任務,具備全天候,無依托發射能力,不需要專門的火箭發射場或發射臺,只需要找一片平地或在海上搭建一個臨時發射平臺即可。

這類火箭的普及使得衛星發射場選址不一定拘泥于某些自然條件,而是可以做到“馬路邊發射”。許多民營火箭公司正在向這個方向努力。

除了發射條件更加簡化

還有人在研究如何回收并重復使用火箭

(成功降落在無人駕駛著陸船上的space x獵鷹9號)

(圖片來自[email protected] Photos)

而在他們的努力下,不久的將來我們說不定真的可以從家門口的某個地方搭乘這種“小”火箭來一場說走就走的“太空一日游”。

正如“航天之父”齊奧爾科夫斯基所云:“地球是人類的搖籃,但人類不可能永遠被束縛在搖籃里”。人類探索未知的好奇心和征服宇宙的夢想會結出怎樣的碩果,誰又能知道呢?

這個世界遠比地球要大得多的多得多

(圖片來自[email protected] Z. Colvin)

*本文內容為作者提供,不代表地球知識局立場。?

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