火箭如何選擇發射場和發射方式?

任何一種運載工具都需要停靠和出發的地方。汽車需要車庫/車位,輪船需要母港/碼頭,飛機需要機場/跑道。作為航天時代的運載工具,火箭也需要自己的發射場,按照需求有不同的發射方式。

火箭如何選擇發射場和發射方式?

中國文昌航天發射場(圖源:央廣軍事)


實際上,運載火箭發射面臨的問題遠遠多於傳統運載工具。它需要特殊的推進劑,例如液氧、四氧化二氮、煤油、液氫、液態甲烷、聯胺等,不同推進劑對加註環境和儲備條件要求的嚴苛程度截然不同;火箭的發射要求快速達到指定軌道,尤其是對於軌道傾角有特殊要求的任務(例如0度傾角的地球靜止軌道,98度左右傾角的太陽同步軌道),因而有的要盡力利用地球自轉慣性(順行軌道),有的卻要盡力克服(大傾角逆行軌道);火箭一般是多級的,這也意味著它的發射伴隨著殘骸的脫落,大部分殘骸的高度低、速度低,是一定會“砸”回地球的,砸中花花草草怎麼辦?等等。

因而,選擇火箭的發射場和發射方式,至關重要。也沒有任何一個發射場和一種發射方式是完美的,一些航天大國甚至需要建設多個發射場。它們的選擇邏輯如下。


1.內陸發射場


建立在陸地上的發射場佔地空間大、戰略縱深充足、國防軍事安全可以保證、配套設施規模大且完善、交通條件和支援措施豐富,優點非常多,毫無疑問是航天發展初期的重要選擇。例如,蘇聯的拜科努爾發射場位於中亞地區的哈薩克斯坦,中國的酒泉、太原和西昌三大衛星發射中心都在內陸。

火箭如何選擇發射場和發射方式?

拜科努爾的“加加林起點”發射平臺,是世界最早的載人航天發射平臺(圖源:NASA)


按照不同航天任務的發射需求,內陸發射場的選址也有所不同。

絕大部分航天任務都要求順行軌道(傾角在0-90度,自西向東),尤其是高軌的地球靜止軌道,因而發射場緯度越低、能夠利用到的地球自西向東慣性速度越多。比如在赤道上的地球自轉速度約為466米每秒,到了30度緯度就只有403米每秒,到了60度就只有233米每秒了,同一任務對火箭推進劑的需求差別可以達到15%的級別。因而,我國傳統三大發射場中最南邊的西昌,成為北斗、通訊衛星、嫦娥探月等高軌任務的核心基地。

對於要求逆行軌道(傾角90度以上,自東向西)和極地軌道(傾角90度)的任務,反而需要克服地球自轉或者對其不敏感,這就有必要往更高緯度建。因而蘇聯的普列謝茨克、中國的太原,都是專門發射這類任務的。

火箭如何選擇發射場和發射方式?

普列謝茨克已經接近北極圈,這裡適合發射太陽同步軌道和極地軌道。這裡因而發射了人類最多的軍用載荷,總髮射次數接近2000次


對於有特殊需求的載人航天類任務,為了保證航天員/宇航員的絕對安全,往往要求支援配置極其豐富的發射場,例如技術服務、測試演練、發射平臺、後勤保障、通信測量、氣象臺、航天員區域、交通運輸、指揮中心等多個區域,還要配合全球的測控通信網、再入返回著陸場要位於本國境內,總體要求極高。蘇聯的拜科努爾,中國的酒泉,美國的肯尼迪中心和卡納維拉爾角空軍基地,世界範圍內僅有這些可以實現載人任務的發射場。


2.濱海發射場


濱海發射場依然處在陸地上,不過已經至少一面臨海。因為處在內陸中心的發射場有個天大的缺點:殘骸落區問題,在不可回收火箭是主流的過去和今天,這是根本無法避免的問題。蘇聯的拜科努爾、普列謝茨克發射場,中國的酒泉、太原和西昌發射場,都有這個問題。

火箭如何選擇發射場和發射方式?

卡納維拉爾角和不遠處的肯尼迪空間中心,緊鄰廣袤的大西洋(圖源:NASA)


為此,濱海發射場的優勢明顯。例如,美國本土由於地理位置和軍事實力的優勢,幾乎所有的發射場都是濱海的。白沙導彈靶場距離太平洋和墨西哥灣都不遠,肯尼迪中心和卡納維拉爾角建在大西洋西海岸,範德堡空軍基地靠近太平洋東海岸。因而,肯尼迪中心和卡納維拉爾角一般是順行軌道任務、殘骸掉大西洋,範德堡空軍基地則相反、殘骸掉太平洋。歐洲的法屬圭亞那發射場也是得天獨厚,建在大西洋西海岸。日本的種子島發射場在日本南端,遠離本土,四面環海,亦是如此原因。

火箭如何選擇發射場和發射方式?

中國四大火箭發射場位置圖


這也是中國第四個火箭發射基地選擇海南文昌的重要原因:1.緯度更低,更大限度利用地球自轉慣性;2.幾乎四面環海,東、西、南向都不存在殘骸落區問題。此外,還有兩個重要原因:3.新一代火箭,尤其是推進劑系統需要嶄新的配套設施,需要新建,傳統的發射場配套很難更新;4.“胖五”(長征五號)這類火箭太“胖”(芯級最大直徑5米),沒法經過傳統鐵路運輸抵達三大發射場,經由“遠望21”和“遠望22”航天運輸船海上運輸就不存在這些問題。


3.特殊發射場和特殊發射方式


在有絕對核心優勢的陸地和濱海發射場之外,還有一些特殊應用和需求背景的發射場。


3.1天基發射場


這種發射任務說起來很簡單:從太空中發射。

航天飛機從定位上講也可以叫做“天基發射場”。一方面,宇航員可以直接利用機械臂拋出去“發射”航天器;另一方面,它把航天器運送到環繞地球軌道後,這些航天器也可以自帶一個強力的上面級,上面級推動這些航天器直接從近地軌道“發射”,前往更高的軌道甚至深空探測任務。

上面級在本質上而言,也是一種火箭。

火箭如何選擇發射場和發射方式?

伽利略木星探測器發射是由航天飛機和上面級接力完成(圖源:NASA)


例如,大名鼎鼎的伽利略號火星探測器就是1998年時被亞特蘭蒂斯號航天飛機送入近地軌道、隨後“慣性上面級(Inertial Upper Stage)”把它送入了前往木星的軌道。麥哲倫(金星)、尤利西斯(太陽)、錢德拉(太空望遠鏡)等眾多知名深空探測任務,都是這種“天基發射”出發的。

而更廣泛的定義來看,空間站就是個大型的“發射平臺”,而且發射方式很簡單:機械臂扔出去即可。一般情況下,貨運飛船可以打包運送很多有效載荷前往,宇航員們在調試完畢後,即可實現一次“發射”任務,已經不需要火箭參與。

例如,國際空間站經常發射小衛星,天宮二號空間實驗室任務期間也釋放了伴飛衛星。等到2022年我國天宮空間站建成後,從那裡“發射”衛星也會是常態。


3.2 海上發射場


既然濱海發射有這麼大優勢,那為什麼不在大洋中間建立一個發射場?尤其是選擇赤道附近區域豈不是更好?

火箭如何選擇發射場和發射方式?

中國首次海上火箭發射(圖源:央視新聞)


這就是海上發射場和海上發射火箭。一方面,可以選擇建立在小島的軍事基地上(美國);另一方面,則可以建立移動的海上平臺,俄羅斯、歐洲、中國都有這種海上平臺。中國在2019年,剛剛利用長征十一號火箭完成了本國首次海上發射。

不過海上移動平臺有自身的缺點:它不可能做到特別大和多功能,一般僅能發射中小型火箭。


3.3 空基發射場


顧名思義,這種方式就是把火箭放到大型飛機上、拋下去、點火、發射、入軌,它已經沒有“發射場”的意義了。但它的意義也是非常明顯的,比如為火箭節省了推進劑需求、機動能力極強、幾乎完全不受任何戰略戰術威脅、完全沒有任何殘骸落區問題(飛到海上)、反應速度快、發射頻率高等。

火箭如何選擇發射場和發射方式?

飛馬座火箭空基發射(圖源:Orbital ATK)


它的缺點在於飛機畢竟也是有能力上限的,不可能運送大中型火箭,也基本不可能運送液體燃料火箭,因而僅能運送一些小型的固體燃料火箭。這種“發射場”和空基發射方式,更多作為技術上戰略儲備,以備不時之需,目前僅有美國的飛馬座空基發射火箭服役。


3.4 水下“發射場”


這種已經很難被叫做“發射場”了,它其實更像是對戰略核潛艇和潛射戰略導彈的技術測試。根據公開的信息,也僅有美國和蘇聯利用彈道導彈戰略核潛艇進行過此類發射測試,安全性和隱蔽性自然不用解釋,但顯然不可能發射大型載荷,更多作為戰略儲備存在。

總體上,這些特殊發射更多作為現有技術的戰略儲備和補充,它們共同豐富了一個國家的運載火箭發射體系,甚至開創了新的發射方式。

對於一個航天大國而言,以上提到的各種發射場和發射方式,答案顯然是:

“小孩子才講性價比,這些我都要!”


分享到:


相關文章: