徐臻豪

2019年6月5日，中國(guó)在黃海海域進(jìn)行了首次海上火箭發(fā)射，此次“長(zhǎng)征十一號(hào)”運(yùn)載火箭成功的從海上平臺(tái)發(fā)射，將7顆衛(wèi)星送入軌道。這不僅填補(bǔ)了我國(guó)運(yùn)載火箭海上發(fā)射空白，還標(biāo)志了中國(guó)的航天技術(shù)又上了一個(gè)新的臺(tái)階，為中國(guó)的航天活動(dòng)提供了一種快速進(jìn)入太空的全新發(fā)射方式。海上發(fā)射技術(shù)可以彌補(bǔ)高緯度國(guó)家，由于地理位置和氣候環(huán)境的影響，缺少理想的航天發(fā)射中心的短板，因此，廉價(jià)而適用的海上發(fā)射平臺(tái)是航天大國(guó)家的需求，俄羅斯、美國(guó)、挪威、烏克蘭、日本等國(guó)都在加緊研發(fā)。

在國(guó)際航天界，海上發(fā)射并不算是一個(gè)全新的航天發(fā)射方式，20世紀(jì)60年代，意大利就在印度洋中建立了世界上第一個(gè)移動(dòng)式民用赤道航天發(fā)射設(shè)施——“圣馬科”發(fā)射平臺(tái)，美俄兩國(guó)也曾進(jìn)行過(guò)多次海上平臺(tái)發(fā)射試驗(yàn)。

“奧德賽”移動(dòng)式海上航天發(fā)射平臺(tái)

海上發(fā)射平臺(tái)可以分為固定式海上發(fā)射平臺(tái)和移動(dòng)式海上發(fā)射平臺(tái)，意大利“圣馬科”發(fā)射場(chǎng)就屬于固定式海上發(fā)射平臺(tái)，在20世紀(jì)90年代之前曾多次發(fā)射過(guò)衛(wèi)星。不過(guò)，相比固定式海上發(fā)射平臺(tái)，移動(dòng)式海上發(fā)射平臺(tái)更加具有優(yōu)勢(shì)，它的移動(dòng)能力使發(fā)射方能夠選擇最有利的發(fā)射地點(diǎn)。因此，20世紀(jì)90年代，由美國(guó)、烏克蘭、俄羅斯和挪威等國(guó)組建的海上發(fā)射公司所采用的就是“奧德賽”移動(dòng)式海上發(fā)射平臺(tái)，可在赤道附近海域進(jìn)行發(fā)射，能最大限度地發(fā)揮運(yùn)載火箭的能力，具有較強(qiáng)的發(fā)射適應(yīng)性和商業(yè)價(jià)值。

“長(zhǎng)征十一號(hào)”進(jìn)行海上發(fā)生試驗(yàn)

陸地發(fā)射火箭的優(yōu)劣

作為航天大國(guó)，中國(guó)已經(jīng)有了四個(gè)陸上航天發(fā)射基地，其中包括：四川西昌航天發(fā)射場(chǎng)、甘肅酒泉航天發(fā)射場(chǎng)、山西太原航天發(fā)射場(chǎng)、海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)，除了海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)位于沿海地區(qū)，其它都在中北部?jī)?nèi)陸地區(qū)。運(yùn)載火箭最終是要讓所運(yùn)送的衛(wèi)星或宇宙飛船進(jìn)入預(yù)定的軌道或讓宇宙探測(cè)器脫離地球引力，所以，火箭需要達(dá)到第一、第二或者第三宇宙速度。在高緯度的陸上基地發(fā)射火箭時(shí)，火箭需要消耗更多的能量，因?yàn)?，地球繞地軸自轉(zhuǎn)，緯度是從赤道到南北極點(diǎn)逐步提高，地球自轉(zhuǎn)的角速度相同，高緯度自轉(zhuǎn)的線速度就比低緯度低。火箭發(fā)射時(shí)會(huì)采用順著地球自轉(zhuǎn)的方向發(fā)射，就是為了利用地球自轉(zhuǎn)的初速度節(jié)省燃料，而在高緯度地區(qū)發(fā)射所獲得的初速度要低于低緯度，因此，在高緯度發(fā)射火箭比在低緯度發(fā)射需要更多的燃料。

火箭的最大起飛重量是限定的，如果攜帶的燃料多了，就需要降低有效載荷，這影響了火箭發(fā)射的經(jīng)濟(jì)性，此外，衛(wèi)星在入軌過(guò)程中由于需要變軌也損耗了額外的能量，因此會(huì)影響衛(wèi)星的使用壽命。但是，如果將發(fā)射場(chǎng)設(shè)立在低緯度的赤道附近，不僅能夠自由的選擇火箭發(fā)射緯度，節(jié)省了衛(wèi)星變軌所消耗的額外燃料，還能最大程度地利用地球自轉(zhuǎn)速度，使火箭獲得較大的初速度，俄羅斯的“天頂3號(hào)”SL火箭在赤道附近發(fā)射時(shí)，能夠?qū)⒏哌_(dá)6噸多重的載荷送入同步轉(zhuǎn)移軌道。

地球不同緯度上的線速度

除了技術(shù)原因，每次進(jìn)行陸上航天發(fā)射之前，有關(guān)部門(mén)還必須對(duì)火箭艙段可能的落區(qū)內(nèi)的百姓進(jìn)行疏散，以確?；鸺摱卧诼浠氐孛鏁r(shí)不會(huì)出現(xiàn)人員傷亡。這既影響了正常的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和普通百姓的正常生活，又增加了火箭發(fā)射的經(jīng)濟(jì)投入和協(xié)調(diào)工作的難度。即便如此，一旦火箭發(fā)射出現(xiàn)失誤，脫離的火箭艙段還是有可能會(huì)落在預(yù)定落區(qū)以外，所以，航天大國(guó)都將主要的航天發(fā)射場(chǎng)設(shè)在偏僻的地區(qū)。盡管這樣能夠在一定程度上減少航天活動(dòng)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活的影響，不過(guò)，由于發(fā)射場(chǎng)到火箭和衛(wèi)星相關(guān)生產(chǎn)單位路途太遠(yuǎn)，會(huì)受到沿途運(yùn)輸?shù)臈l件限制，“長(zhǎng)征二號(hào)”系列組件的最大直徑就被限制在3.35米以?xún)?nèi)，這就對(duì)重型火箭發(fā)射帶來(lái)了困難。此外，衛(wèi)星和火箭部件的完好率也會(huì)受到長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)挠绊?，這對(duì)于商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射明顯是一種弱點(diǎn)。

海上發(fā)射平臺(tái)的火箭準(zhǔn)備起豎

為什么從陸地轉(zhuǎn)移到海洋

目前，中國(guó)正在積極的參與商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射，為了適應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)激烈的國(guó)際衛(wèi)星發(fā)射市場(chǎng)，于2009年，開(kāi)始建設(shè)海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)，主要承擔(dān)地球同步軌道衛(wèi)星、大質(zhì)量極軌衛(wèi)星、大噸位空間站和深空探測(cè)衛(wèi)星等航天器的發(fā)射任務(wù)。相比其它三個(gè)航天發(fā)射場(chǎng)，文昌航天發(fā)射場(chǎng)已經(jīng)非?？拷嗟?，緯度低，發(fā)射效率高，而且火箭可以通過(guò)海上運(yùn)輸，這就為發(fā)射重型火箭提供了條件，中國(guó)新一代大型運(yùn)輸火箭“長(zhǎng)征五號(hào)”就是在文昌發(fā)射場(chǎng)完成了首次發(fā)射。

正在組裝的“長(zhǎng)征十一號(hào)”固體運(yùn)載火箭

但是，文昌發(fā)射場(chǎng)的緯度還是在19度，不能滿足0～19度傾角衛(wèi)星發(fā)射需求的問(wèn)題，而有一些衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)，發(fā)射傾角最好能夠到5度甚至更小，即使是在文昌發(fā)射場(chǎng)發(fā)射，它對(duì)運(yùn)載能力的要求也比較大，也就是用“大車(chē)扛小炮”，在發(fā)射成本上很不劃算。所以，在靠近赤道的海域通過(guò)海上發(fā)射滿足一定的衛(wèi)星發(fā)射需求就成了必然的選擇。

與傳統(tǒng)的陸地發(fā)射相比，海上發(fā)射運(yùn)載火箭具有明顯的優(yōu)勢(shì)，首先就是在運(yùn)載火箭飛行過(guò)程中由于需要進(jìn)行多次艙段分離，這就帶來(lái)了落區(qū)問(wèn)題。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，再偏遠(yuǎn)的發(fā)射場(chǎng)也沒(méi)有辦法完全避開(kāi)人群，為了避開(kāi)，就會(huì)犧牲不少火箭運(yùn)載能力。而在一望無(wú)際的海洋上發(fā)射運(yùn)載火箭，就可以基本解決人口稠密地區(qū)對(duì)航天活動(dòng)的影響。此外，海上發(fā)射火箭，可以充分利用赤道上地球自轉(zhuǎn)的附加速度，從而節(jié)省運(yùn)載火箭的燃料，而且對(duì)地靜止軌道衛(wèi)星可直接入軌，不用消耗衛(wèi)星所攜帶的燃料進(jìn)行變軌，還可以增加發(fā)射衛(wèi)星的靈活度，根據(jù)衛(wèi)星運(yùn)行軌道選擇最適宜的發(fā)射海域，從而降低衛(wèi)星發(fā)射成本。

海上發(fā)射并不簡(jiǎn)單

相比陸上發(fā)射，海上發(fā)射火箭有很多優(yōu)勢(shì)，特別是發(fā)射地球同步軌道衛(wèi)星，發(fā)射場(chǎng)緯度越低，火箭所耗燃料越少，此外，利用海上發(fā)射平臺(tái)能夠以更低的成本將載荷送上傾角較低的中高軌道，對(duì)沒(méi)有赤道附近發(fā)射場(chǎng)的國(guó)家，海上平臺(tái)發(fā)射具有極強(qiáng)的吸引力。

不過(guò)，海上發(fā)射火箭并不是簡(jiǎn)單的事情，需要一個(gè)相對(duì)風(fēng)平浪靜的海況，傳統(tǒng)運(yùn)載火箭都是液體火箭，在火箭測(cè)試、起豎和加注燃料等發(fā)射準(zhǔn)備工作的每一步都需要一個(gè)平穩(wěn)的環(huán)境，而且整個(gè)準(zhǔn)備過(guò)程要持續(xù)數(shù)天之久，所以海上發(fā)射對(duì)地面保障的技術(shù)水平要求極高。相比之下，如果采用固體火箭，其系統(tǒng)集成度高，燃料已經(jīng)事先裝填，發(fā)射之前不需要繁瑣的準(zhǔn)備工作，只需在發(fā)射之前起豎就可以了。

海上發(fā)射為了確保發(fā)射安全，對(duì)海上發(fā)射平臺(tái)振動(dòng)也有不同要求。比如，俄羅斯在執(zhí)行海上發(fā)射任務(wù)時(shí)，為了使“奧德賽”平臺(tái)達(dá)到平衡并且滿足海上發(fā)射時(shí)的振動(dòng)要求，需要加注15000噸海水，使整個(gè)平臺(tái)的排水量從3.1萬(wàn)噸增到了4.6萬(wàn)噸。即使是采用固體火箭，對(duì)海上發(fā)射平臺(tái)的要求有所降低，也需要在萬(wàn)噸級(jí)大型半潛式駁船基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝，對(duì)普通國(guó)家來(lái)說(shuō)，這是難以完成的工作。

采用固體火箭進(jìn)行海上發(fā)射時(shí)，也存在載荷能力較低的問(wèn)題，因?yàn)橐话銇?lái)說(shuō)固體火箭燃料的比沖比液體燃料低，從商業(yè)角度考慮還是使用液體火箭劃算，但液體火箭在保障上和準(zhǔn)備時(shí)間上的劣勢(shì)在海上發(fā)射平臺(tái)上只會(huì)更加放大。總之，在海上發(fā)射平臺(tái)上發(fā)射火箭，也是需要強(qiáng)大的技術(shù)實(shí)力的。

曾經(jīng)潛射衛(wèi)星的俄羅斯核潛艇“新莫斯科夫斯克”號(hào)，水下排水量超過(guò)18000噸

不可小覷的戰(zhàn)略?xún)r(jià)值

海上發(fā)射技術(shù)還具有很大的軍事價(jià)值，尤其在戰(zhàn)時(shí)，在陸上發(fā)射場(chǎng)遭到毀滅性打擊后，能夠保障各類(lèi)作戰(zhàn)衛(wèi)星的補(bǔ)射。因?yàn)樵诎霛撌今g船基礎(chǔ)上改裝的海上發(fā)射平臺(tái)是可以機(jī)動(dòng)的，可以事先在駁船的貨艙中儲(chǔ)備運(yùn)載火箭以及相關(guān)的技術(shù)設(shè)備，駁船還可以隱蔽在洞庫(kù)中避免遭到打擊。

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，其燃料無(wú)需發(fā)射前加注，節(jié)省時(shí)間，而液體燃料毒性大，加注需要時(shí)間并容易發(fā)生危險(xiǎn)

戰(zhàn)場(chǎng)形勢(shì)瞬息萬(wàn)變，尤其是在陌生地區(qū)作戰(zhàn)時(shí)，往往需要緊急部署衛(wèi)星系統(tǒng)，比如在阿宮汗戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期，蘇聯(lián)就曾在應(yīng)前線作戰(zhàn)部隊(duì)要求，在戰(zhàn)區(qū)上空部署了一套通訊衛(wèi)星系統(tǒng)，用于各部隊(duì)尤其是航空兵部隊(duì)的通訊需要。所以，利用固體火箭，一天內(nèi)就能在太空建立一個(gè)小型衛(wèi)星系統(tǒng)，保障部隊(duì)作戰(zhàn)。

特別是有了海上發(fā)射能力之后，戰(zhàn)時(shí)就可以在任何海域發(fā)射衛(wèi)星，加大了敵方摧毀發(fā)射平臺(tái)的難度。為了增強(qiáng)海上發(fā)射平臺(tái)的生存能力，俄羅斯已經(jīng)實(shí)驗(yàn)在戰(zhàn)略核潛艇上使用潛射火箭發(fā)射衛(wèi)星。早在1998年7月，俄羅斯“德?tīng)査盜V級(jí)戰(zhàn)略核潛艇“新莫斯科夫斯克”號(hào)就曾發(fā)射過(guò)一枚“無(wú)風(fēng)-1”型運(yùn)載火箭，成功將德國(guó)研制的兩枚通信衛(wèi)星送入軌道，這是人類(lèi)航天史上首次從核潛艇上進(jìn)行的水下衛(wèi)星發(fā)射。

現(xiàn)在，海上發(fā)射已經(jīng)得到了各航天大國(guó)的重視，就連一度放棄海上發(fā)射的美國(guó)也在2019年3月14日在夏威夷東南約2300千米的赤道洋面進(jìn)行自己的首次海上發(fā)射。