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火箭如何选择发射场和发射方式?

2020-2-15 19:17| 发布者: 102| 查看: 616| 评论: 0

摘要:   任何一种运载工具都需要停靠和出发的地方。汽车需要车库/车位,轮船需要母港/码头,飞机需要机场/跑道。作为航天时代的运载工具,火箭也需要自己的发射场,按照需求有不同的发射方式。  中国文昌航天发射场( ...

  任何一种运载工具都需要停靠和出发的地方。汽车需要车库/车位,轮船需要母港/码头,飞机需要机场/跑道。作为航天时代的运载工具,火箭也需要自己的发射场,按照需求有不同的发射方式。

  中国文昌航天发射场(图源:央广军事)


  实际上,运载火箭发射面临的问题远远多于传统运载工具。它需要特殊的推进剂,例如液氧、四氧化二氮、煤油、液氢、液态甲烷、联胺等,不同推进剂对加注环境和储备条件要求的严苛程度截然不同;火箭的发射要求快速达到指定轨道,尤其是对于轨道倾角有特殊要求的任务(例如0度倾角的地球静止轨道,98度左右倾角的太阳同步轨道),因而有的要尽力利用地球自转惯性(顺行轨道),有的却要尽力克服(大倾角逆行轨道);火箭一般是多级的,这也意味着它的发射伴随着残骸的脱落,大部分残骸的高度低、速度低,是一定会“砸”回地球的,砸中花花草草怎么办?等等。

  因而,选择火箭的发射场和发射方式,至关重要。也没有任何一个发射场和一种发射方式是完美的,一些航天大国甚至需要建设多个发射场。它们的选择逻辑如下。


  1.内陆发射场


  建立在陆地上的发射场占地空间大、战略纵深充足、国防军事安全可以保证、配套设施规模大且完善、交通条件和支援措施丰富,优点非常多,毫无疑问是航天发展初期的重要选择。例如,苏联的拜科努尔发射场位于中亚地区的哈萨克斯坦,中国的酒泉、太原和西昌三大卫星发射中心都在内陆。

  拜科努尔的“加加林起点”发射平台,是世界最早的载人航天发射平台(图源:NASA)


  按照不同航天任务的发射需求,内陆发射场的选址也有所不同。

  绝大部分航天任务都要求顺行轨道(倾角在0-90度,自西向东),尤其是高轨的地球静止轨道,因而发射场纬度越低、能够利用到的地球自西向东惯性速度越多。比如在赤道上的地球自转速度约为466米每秒,到了30度纬度就只有403米每秒,到了60度就只有233米每秒了,同一任务对火箭推进剂的需求差别可以达到15%的级别。因而,我国传统三大发射场中最南边的西昌,成为北斗、通讯卫星、嫦娥探月等高轨任务的核心基地。

  对于要求逆行轨道(倾角90度以上,自东向西)和极地轨道(倾角90度)的任务,反而需要克服地球自转或者对其不敏感,这就有必要往更高纬度建。因而苏联的普列谢茨克、中国的太原,都是专门发射这类任务的。

  普列谢茨克已经接近北极圈,这里适合发射太阳同步轨道和极地轨道。这里因而发射了人类最多的军用载荷,总发射次数接近2000次


  对于有特殊需求的载人航天类任务,为了保证航天员/宇航员的绝对安全,往往要求支援配置极其丰富的发射场,例如技术服务、测试演练、发射平台、后勤保障、通信测量、气象台、航天员区域、交通运输、指挥中心等多个区域,还要配合全球的测控通信网、再入返回着陆场要位于本国境内,总体要求极高。苏联的拜科努尔,中国的酒泉,美国的肯尼迪中心和卡纳维拉尔角空军基地,世界范围内仅有这些可以实现载人任务的发射场。


  2.滨海发射场


  滨海发射场依然处在陆地上,不过已经至少一面临海。因为处在内陆中心的发射场有个天大的缺点:残骸落区问题,在不可回收火箭是主流的过去和今天,这是根本无法避免的问题。苏联的拜科努尔、普列谢茨克发射场,中国的酒泉、太原和西昌发射场,都有这个问题。

  卡纳维拉尔角和不远处的肯尼迪空间中心,紧邻广袤的大西洋(图源:NASA)


  为此,滨海发射场的优势明显。例如,美国本土由于地理位置和军事实力的优势,几乎所有的发射场都是滨海的。白沙导弹靶场距离太平洋和墨西哥湾都不远,肯尼迪中心和卡纳维拉尔角建在大西洋西海岸,范德堡空军基地靠近太平洋东海岸。因而,肯尼迪中心和卡纳维拉尔角一般是顺行轨道任务、残骸掉大西洋,范德堡空军基地则相反、残骸掉太平洋。欧洲的法属圭亚那发射场也是得天独厚,建在大西洋西海岸。日本的种子岛发射场在日本南端,远离本土,四面环海,亦是如此原因。

  中国四大火箭发射场位置图


  这也是中国第四个火箭发射基地选择海南文昌的重要原因:1.纬度更低,更大限度利用地球自转惯性;2.几乎四面环海,东、西、南向都不存在残骸落区问题。此外,还有两个重要原因:3.新一代火箭,尤其是推进剂系统需要崭新的配套设施,需要新建,传统的发射场配套很难更新;4.“胖五”(长征五号)这类火箭太“胖”(芯级最大直径5米),没法经过传统铁路运输抵达三大发射场,经由“远望21”和“远望22”航天运输船海上运输就不存在这些问题。


  3.特殊发射场和特殊发射方式


  在有绝对核心优势的陆地和滨海发射场之外,还有一些特殊应用和需求背景的发射场。


  3.1天基发射场


  这种发射任务说起来很简单:从太空中发射。

  航天飞机从定位上讲也可以叫做“天基发射场”。一方面,宇航员可以直接利用机械臂抛出去“发射”航天器;另一方面,它把航天器运送到环绕地球轨道后,这些航天器也可以自带一个强力的上面级,上面级推动这些航天器直接从近地轨道“发射”,前往更高的轨道甚至深空探测任务。

  上面级在本质上而言,也是一种火箭。

  伽利略木星探测器发射是由航天飞机和上面级接力完成(图源:NASA)


  例如,大名鼎鼎的伽利略号火星探测器就是1998年时被亚特兰蒂斯号航天飞机送入近地轨道、随后“惯性上面级(Inertial Upper Stage)”把它送入了前往木星的轨道。麦哲伦(金星)、尤利西斯(太阳)、钱德拉(太空望远镜)等众多知名深空探测任务,都是这种“天基发射”出发的。

  而更广泛的定义来看,空间站就是个大型的“发射平台”,而且发射方式很简单:机械臂扔出去即可。一般情况下,货运飞船可以打包运送很多有效载荷前往,宇航员们在调试完毕后,即可实现一次“发射”任务,已经不需要火箭参与。

  例如,国际空间站经常发射小卫星,天宫二号空间实验室任务期间也释放了伴飞卫星。等到2022年我国天宫空间站建成后,从那里“发射”卫星也会是常态。



  3.2 海上发射场


  既然滨海发射有这么大优势,那为什么不在大洋中间建立一个发射场?尤其是选择赤道附近区域岂不是更好?

  中国首次海上火箭发射(图源:央视新闻)


  这就是海上发射场和海上发射火箭。一方面,可以选择建立在小岛的军事基地上(美国);另一方面,则可以建立移动的海上平台,俄罗斯、欧洲、中国都有这种海上平台。中国在2019年,刚刚利用长征十一号火箭完成了本国首次海上发射。

  不过海上移动平台有自身的缺点:它不可能做到特别大和多功能,一般仅能发射中小型火箭。


  3.3 空基发射场


  顾名思义,这种方式就是把火箭放到大型飞机上、抛下去、点火、发射、入轨,它已经没有“发射场”的意义了。但它的意义也是非常明显的,比如为火箭节省了推进剂需求、机动能力极强、几乎完全不受任何战略战术威胁、完全没有任何残骸落区问题(飞到海上)、反应速度快、发射频率高等。

  飞马座火箭空基发射(图源:Orbital ATK)


  它的缺点在于飞机毕竟也是有能力上限的,不可能运送大中型火箭,也基本不可能运送液体燃料火箭,因而仅能运送一些小型的固体燃料火箭。这种“发射场”和空基发射方式,更多作为技术上战略储备,以备不时之需,目前仅有美国的飞马座空基发射火箭服役。


  3.4 水下“发射场”


  这种已经很难被叫做“发射场”了,它其实更像是对战略核潜艇和潜射战略导弹的技术测试。根据公开的信息,也仅有美国和苏联利用弹道导弹战略核潜艇进行过此类发射测试,安全性和隐蔽性自然不用解释,但显然不可能发射大型载荷,更多作为战略储备存在。

  总体上,这些特殊发射更多作为现有技术的战略储备和补充,它们共同丰富了一个国家的运载火箭发射体系,甚至开创了新的发射方式。

  对于一个航天大国而言,以上提到的各种发射场和发射方式,答案显然是:

  “小孩子才讲性价比,这些我都要!”



  (本文图片均为公共版权或注明来源)

  (本文是航天系列科普24讲第5篇,全部文章将在一年内更新完毕,敬请期待!)

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