今天中午有一个大新闻:我国在黄海海域完成了首次“一箭七星”海上发射试验,为后续大规模海上发射奠定了良好的基础。

选择在海上发射,需要航天系统和海工系统的紧密配合,要求条件比较苛刻,成本也较高,所以虽然拥有了技术,但这更多是作为战略储备,一般的火箭发射还是要在陆地上完成。

今天人民日报的公众号发文

我们熟悉的酒泉、西昌等发射基地,就是中国主要的航天发射选址,但却都是地广民稀的边缘地带。火箭的发射,难道就不能选择其他地方吗?

看完今天关于发射场选址的学问,你就会有答案。

 

条件严苛胜选美

航天发射场的选择条件严苛不啻于选美。

首先是要确保安全。

火箭发射对周边的影响很大,其上空是禁飞区,发射时不但会造成噪音与大气污染,而且掉落残骸可能毁坏建筑,因此不宜在人烟稠密的地区设立发射场,最好选择在地广人稀的戈壁、沙漠地带或者海边。

比如著名的拜科努尔就相当荒凉

但注意!这是拜科努尔城,而非拜科努尔发射场

(图片来自[email protected]

发射场离城市也是非常遥远的

(图像来自Google map,DigitalGlobe)

如鼎鼎大名的前苏联拜科努尔发射场就建立在人烟稀少的半沙漠草原地区(苏联对卫星发射场选址很有眼光,孰料人算不如天算,苏联解体之后,拜科努尔位于哈萨克斯坦境内,俄罗斯不得不以每年1.15亿美元的租金向哈萨克斯坦租用此地),美国肯尼迪航天中心则位于佛罗里达半岛。

哈萨克斯坦也算是分到了一块不错的苏联遗产

而且发射卫星对各个国家来讲都是涉及国防安全、国家机密的重大项目,使用的技术代表国家的尖端水平。为防止可能出现敌军入侵、间谍破坏、情报泄漏、恐怖袭击等隐患,发射场周边应具有比较稳定的地缘环境,而且安保压力较小。

联盟TMA-16运载火箭被运往拜科努尔发射场

(图片来自[email protected]/Bill Ingalls)

例如,西昌卫星发射中心位于大凉山腹地中的峡谷,距离边境很远,只要谷口派人驻守就可“万夫莫开”,减轻了安保压力。这也侧面说明了为什么太空竞赛是超级大国才能玩的游戏。

而且,要进四川还要先进云南

随随便便肯定是进不来的

第二是纬度低的地区有较大优势。

地球是一个略扁的正球体,以恒定速度绕地轴由西向东自转,越靠近赤道,发射卫星时借助地球自转获得的向东的线速度越大,使用相同的火箭可以将更重的物品送入太空。因此在低纬度地区设立发射场是更加经济的选择。

所以要不要来非洲建一个

(图片来自[email protected]

中国的文昌卫星发射中心、美国的肯尼迪航天中心都考虑到这一点而设立。前苏联就比较悲催,由于国土位于高纬度地区而不能享受这一“红利”。

当然,也没有设在海南岛的最南端

相比之下,同属高纬度地区的西欧运气就比较好,借用法国的“海外省”——法属圭亚那的便宜。欧盟在该地设立的欧洲航天发射中心在北纬5度左右,发射效率高于美、俄、中、日等国,独占了全球一半以上的卫星发射市场。

法属圭亚那已经离赤道非常近了

第三是要求交通比较便利,有利于各种仪器和设备的运输。

火箭发射不仅所需的人员和给养数量巨大,而且设备和仪器数量繁多,体积庞大。如将人类送上月球的土星五号火箭,仅第一级火箭就长42米,直径达10米。因此卫星发射场对运输条件有很大依赖,有的地区虽然非常安全,但位置偏僻,交通闭塞,不适宜建立卫星发射场。

土星5号火箭的第一级就相当巨大

(图片来自[email protected]

通常发射场要么选在靠近铁路沿线的平坦地区,修建铁路支线比较便利,可以利用铁运(如拜科努尔和酒泉);要么选择靠近大型港口的地区,可以通过水运(如文昌和日本种子岛宇宙中心)。

海边的日本种子岛宇宙中心

(图像来自Google map,DigitalGlobe)

但设立在海边的发射场也有自己的烦恼,因为海边的渔业等自然资源通常比较丰富,频频发射火箭可能对经济活动造成影响。种子岛宇宙中心就因为当地捕鱼工会抗议,平均每年只能发射4次,影响了使用效率。

种子岛太空中心的发射

(图片来自[email protected]

第四是发射场应具有较好的气象条件。

为了减少意外发生和便于跟踪监测,发射火箭对气象条件有严格要求。多雷雨,多大雾,多暴风,气象条件变化剧烈的地区不适宜建立发射场。拜科努尔和酒泉基地气候干燥,空气晴好,有利于实验和发射的天数多;西昌则是川地外围云雾少,无污染的地区,试验周期和允许发射的时间长;而文昌基地虽然濒海,但位于背风坡,受台风影响也较小。

拜科努尔这个环境确实相当合适

(图片来自[email protected]/Bill Ingalls)

 

我国卫星发射场“四大金刚”

迄今为止,我国共建立了四座卫星发射场,分别是太原卫星发射中心(发射场位于岢岚县);酒泉卫星发射中心(发射场位于内蒙古自治区阿拉善盟额济纳旗东风镇);西昌卫星发射中心(发射场位于大凉山峡谷深处)和文昌卫星发射中心(位于海南岛)。

四座发射场的选址各有优势,除2016年才投入使用的文昌发射中心之外,其余三座发射场各有其光荣历史。

四座基地中,酒泉卫星发射基地建成时间最早,对中国航天的贡献最大,知名度最高,是当之无愧的“老大哥”。

中国酒泉卫星发射中心

(图片来自[email protected]

自1958年运营以来,该基地已经执行过百余次发射任务,创造了中国航天史上的多个“第一次”,其中就包括中国第一颗卫星“东方红一号”。值得一提的是酒泉基地还是中国唯一的载人航天基地,所有的中国航天员都是从酒泉发射场出发问鼎长天的。

空间技术展上的东方红一号

(图片来自[email protected]ücke-Osteuropa)

酒泉基地的优点是僻处巴丹吉林沙漠边缘,安全和保密性都能得到保障;而且该地区全年少雨,每年适宜发射卫星的天数超过300天,而且可以充分使用从国土上从福建到新疆上千公里的弧形航天测控网络。

太原卫星发射基地始建于1967年,虽然发射航天器数量不及酒泉和西昌,但却享有“发射成功率百分之百”的荣誉。

虽然叫中国太原卫星发射中心

但实际上位于山西省西北部的岢岚县境内

虽然位置颇为偏僻

但也在很早就修了连接太原的铁路

(图像来自Google map,DigitalGlobe)

“老三”西昌卫星发射中心1982年交付使用,很快成为中国航天最重要的商业卫星发生基地,虽然在上世纪九十年代多发生数次发射事故,但后来还是能够挽回名誉,并担当了所有“嫦娥”探月工程系列探测器的发射任务。

美国人发现了在月球上着陆的

嫦娥三号着陆器和玉兔号月球车

(图片来自[email protected]

西昌发射中心的优点是纬度比酒泉和太原都低,缺点是运输是个大麻烦,大量仪器、设备需要远征巴山蜀水运抵发射现场。受到桥梁、涵洞承载和容积的限制,例如长征二号系列由于受到铁路运输的限制,其组件的最大直径不能超过3.5米,如果发射大型火箭,只好把组件运到发射场附近安装。

运进大山里很不容易的

虽然也修了连接的铁路

(图像来自Google map,DigitalGlobe)

与三位“大哥”相比,文昌发射基地是“小字辈”,但其规划时间可以追溯到上世纪七十年代。之所以迟迟未开工建设,是因为彼时处于冷战时期,南海波谲云诡,中越苏美多国竞逐,在海南岛设立这类重要设施有被敌人侵占或轰炸之虞,安全无法保障,最终不得不改在较为不易被攻击的西昌。

一直到2009年,南海局势稳定,我国经济发展也上了快车道,文昌基地才开工建设,至2014年竣工。

这个发射基地最大的优点是纬度低(北纬18度),同型火箭运载能力可提升10%以上,卫星使用寿命可延长2年以上。因此规划伊始就被设计为发射重型火箭、大质量卫星、大吨位空间站的发射场。

文昌发射场的长征五号

(图片来自[email protected]篁竹水声)

因其运送相同质量物品所需燃料更小,更有利于中国航天企业参与国际竞争;它也是四个发射场中唯一一个濒海基地,运输便利,火箭箭体直径几乎不受限制,可以在总装之后运至该地;而且从文昌向东、向南1000公里以内均为汪洋大海,发射火箭残骸坠落造成意外的可能性被降到了最低。

由于建设较晚,文昌基地的设施比三位“大哥”更加先进,很可能后来居上,成为未来中国最繁忙和最有商业价值的卫星发射场。

 

 

未来的趋势

无论濒海还是内陆,现在卫星发射场还是位于陆地上,一要占用大量土地,二是可能污染自己的国土,三是很多有能力和有意愿发射卫星的发达国家都位于高纬度地区,设立陆上发射场无论如何都是不太经济的(位于赤道的亚、非、拉国家地理条件优越,但多是穷国,用不上这些发射场资源),四是固定的发射场的使用效率难免受气象、窗口期等原因影响。

圭亚那这个很特别

欧洲拿到了很好的发射位置,还不占用欧洲土地

(圭亚那航天中心ELA-3发射架)

(图片来自[email protected] Semanaz / Philou.cn)

但如果将发射场设在公海之上并可以移动,所有的问题都会迎刃而解。

于是各国开始青睐建设海上发射场。1995年,美、俄、乌克兰、挪威四国企业合资组成了一个海上发射公司,在赤道附近的海洋中建立了一个发射平台,这一平台因纬度低,安全性能好而受到商业卫星甲方青睐,其运载的“天顶号”火箭已多次成功发射。

海上的火箭发射

(图片来自[email protected]

另外随着科技发展,人类找到了燃烧效率更高,释放能量更多的固体燃料以代替液体燃料,将相同重量的物品投送至太空所需的火箭可以更轻,更细,更小,加注燃料的时间也更短。

火箭小型化带来了卫星发射场的一场革命。

在这一次我国海上发射的案例中,长征十一号运载火箭长度只有21米,直径只有2米,可以运载和发射微小型卫星。这种火箭可以做到在接到任务命令后24小时内完成发射任务,具备全天候,无依托发射能力,不需要专门的火箭发射场或发射台,只需要找一片平地或在海上搭建一个临时发射平台即可。

这类火箭的普及使得卫星发射场选址不一定拘泥于某些自然条件,而是可以做到“马路边发射”。许多民营火箭公司正在向这个方向努力。

除了发射条件更加简化

还有人在研究如何回收并重复使用火箭

(成功降落在无人驾驶着陆船上的space x猎鹰9号)

(图片来自[email protected] Photos)

而在他们的努力下,不久的将来我们说不定真的可以从家门口的某个地方搭乘这种“小”火箭来一场说走就走的“太空一日游”。

正如“航天之父”齐奥尔科夫斯基所云:“地球是人类的摇篮,但人类不可能永远被束缚在摇篮里”。人类探索未知的好奇心和征服宇宙的梦想会结出怎样的硕果,谁又能知道呢?

这个世界远比地球要大得多的多得多

(图片来自[email protected] Z. Colvin)