前有 SpaceX 的猎鹰系列运载火箭,最近还有中国的长征十一号火箭,这些在陆地上制造的火箭,一个个都跑去海上发射升空,是陆地不够大,还是海洋有什么魔力?
9 月 15 日,长征十一号运载火箭发射成功,此次的发射场地值得关注,本次发射地点没有设在常规的四大发射中心(酒泉、太原、西昌、文昌),而是在黄海海域上实行发射。意在最终将火箭推向商用的 SpaceX CEO 伊隆‧马斯克也在 8 月表示,“海洋太空港是星际飞船及其运载火箭的未来”。
离赤道越近越好
海上相比陆地的优势之一,是能更接近低纬度的赤道地区,这意味着可以最大程度借到地球的自转速度来提升火箭的运载能力。
因纬度不同,地球表面各地的线速度(切面速度)会发生变化,并与纬度成反比──这可以理解为在角速度不变的情况下,各纬度上的人随着地球自转一圈的时间一致,于是周长越长的低纬度地区,人的“奔跑”也越快。这个“奔跑速度”就可以理解为线速度。地表的线速度可以视为火箭拥有的初始速度,借到的初始速度越大,火箭需要达到目标速度所需的推进剂燃料就越少,火箭的运载能力进而得以提高。
另一方面,海上发射平台更容易大规模移动。而由于公海的存在,理论上任何国家的火箭发射都可以移动到接近赤道的位置来实行,因此海上成为火箭发射提升运载能力上限的突破口之一。
▲ 深蓝色为公海区域,浅蓝色为专属经济海域。(Source:B1mbo / CC BY-SA 3.0 CL)
除此之外,海上发射利于进行特殊轨道任务,比如为了满足更复杂的商业用途,小倾角卫星越来越受到重视。而据长征十一号运载火箭副总指挥金鑫介绍,火箭从赤道附近发射,可以避免卫星轨道倾角变化产生能量消耗,可以同时提高火箭运载能力以及使用寿命。
比陆地发射更安全
除了运载能力的提升,海上发射的安全隐忧也更小。
火箭升空后助推器燃料耗尽会掉落,更坏的情况是,火箭发射一旦失败也会掉到地面,所以落区安全是火箭发射任务中的重要考虑因素。因此发射基地往往设在人口稀少的地域。以中国四大发射中心为例,酒泉和太原发射中心分别设在戈壁滩和沙漠边缘,西昌和文昌发射基地前者居于大凉山腹地,后者临海。四地都是低人口密度地区。
海面对于火箭发射无异于在一片无人区,任务设计中对于落区位置的控制可以更为宽容。世界上一些主要的发射基地,如美国的西部航太和导弹试验中心,俄罗斯的普列谢茨克基地等,都设立在滨海位置,且发射朝向面向海域,其中都有出于第三方安全性的考虑。
▲ 全球航太发射场布局。
如果火箭发射大规模投入商用,甚至在未来成为一种交通工具。那么发射时巨大的噪音也是考虑因素之一。马斯克对于 SpaceX 星际飞船的使用构想是一年 1,000 次发射任务,在之前一次采访中,他表示未来星际飞船可能以从海上发射为主,主要是出于飞船起飞频繁且噪音太大的考虑。
自然环境成变数
但海上发射并不是全无风险,多变的自然环境是不可忽视的未知因素。
在世界各国的航太发射过程中,有一套“火箭发射天气标准”(weather launch commit criteria)需要严格遵守。其中对避免积云、雷暴等天气状态有严格要求。今年稍早,SpaceX 载人航太发射计划最初就曾经由于天气原因被迫延迟。
而相比陆地,海上局部的自然环境多变且更难预测。海上发生雷暴天气的概率较高,且具有高盐雾(指大气中由含盐微小液滴所构成的弥散系统)的特性。前者会干扰电子设备,后者则会腐蚀暴露在外的设备表面,并且海上霉菌浓度高,会造成有机材料的霉化变质并引起电器元件的短路等状况。
在美国航太的任务历史中,接近半数的延期发射都与天气因素相关。“天有不测风云”是海上发射的最大变数,运载火箭设备选型和发射方案都需要根据海上环境做相对应的调整。
同时由于水面不同于陆地,发射平台需要长时间保持航向、动态方位传递等动基座瞄准技术研究及试验验证。为了保证人员安全,这一切都需要远端操控,平台上需要达到无人值守发射,这也是海上火箭发射在面临严苛的自然环境因素之外,另一方面的技术难点。
但目前看来,这些困难都无法阻挡火箭们前往汪洋大海发射升空的决心,火箭和海洋是越靠越近了。
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