火箭如何选择发射场和发射方式?

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  • 来源:安图在线

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,汽船需要母港/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,根据需求有差别的发射方式。

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,差别推进剂对加注情况和储蓄条件要求的严苛水平截然差别;火箭的发射要求快速到达指定轨道,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),因而有的要努力使用地球自转惯性(顺行轨道),有的却要努力克服(大倾角逆行轨道);火箭一般是多级的,这也意味着它的发射陪同着残骸的脱落,大部门残骸的高度低、速度低,是一定会“砸”回地球的,砸中花花卉草怎么办?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

建设在陆地上的发射场占地空间大、战略纵深富足、国防军事宁静可以保证、配套设施规模大且完善、交通条件和支援措施富厚,优点很是多,毫无疑问是航天生长初期的重要选择。例如,苏联的拜科努尔发射场位于中亚地域的哈萨克斯坦,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)

根据差别航天任务的发射需求,内陆发射场的选址也有所差别。

绝大部门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、能够使用到的地球自西向东惯性速度越多。好比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异可以到达15%的级别。因而,我国传统三大发射场中最南方的西昌,成为北斗、通讯卫星、嫦娥探月等高轨任务的焦点基地。

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,这就有须要往更高纬度建。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。

普列谢茨克已经靠近北极圈,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,总发射次数靠近2000次

对于有特殊需求的载人航天类任务,为了保证航天员/宇航员的绝对宁静,往往要求支援设置极其富厚的发射场,例如技术服务、测试演练、发射平台、后勤保障、通信丈量、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,世界规模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,不外已经至少一面临海。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,在不行接纳火箭是主流的已往和今天,这是基础无法制止的问题。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,滨海发射场的优势显着。例如,美国本土由于地理位置和军事实力的优势,险些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,更大限度使用地球自转惯性;2.险些四面环海,东、西、南向都不存在残骸落区问题。此外,另有两个重要原因: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),没法经由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

在有绝对焦点优势的陆地和滨海发射场之外,另有一些特殊应用和需求配景的发射场。

3.1天基发射场

这种发射任务说起来很简朴: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,宇航员可以直接使用机械臂抛出去“发射”航天器;另一方面,它把航天器运送到围绕地球轨道后,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,台甫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。

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

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设一个发射场?尤其是选择赤道四周区域岂不是更好?

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,可以选择建设在小岛的军事基地上(美国);另一方面,则可以建设移动的海上平台,俄罗斯、欧洲、中国都有这种海上平台。中国在2019年,刚刚使用长征十一号火箭完成了本国首次海上发射。

不外海上移动平台有自身的缺点:它不行能做到特别大和多功效,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、焚烧、发射、入轨,它已经没有“发射场”的意义了。但它的意义也是很是显着的,好比为火箭节约了推进剂需求、灵活能力极强、险些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)、反映速度快、发射频率高等。

飞马座火箭空基发射(图源:Orbital ATK)

它的缺点在于飞机究竟也是有能力上限的,不行能运送大中型火箭,也基本不行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蓄,以备不时之需,现在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。凭据公然的信息,也仅有美国和苏联使用弹道导弹战略核潜艇举行过此类发射测试,宁静性和隐蔽性自然不用解释,但显然不行能发射大型载荷,更多作为战略储蓄存在。

总体上,这些特殊发射更多作为现有技术的战略储蓄和增补,它们配合富厚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,以上提到的种种发射场和发射方式,谜底显然是:

“小孩子才讲性价比,这些我都要!”

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(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!)