【太空工具的秘密】陸地上建造的火箭,為什麼要運到海上發射?

(本文經合作夥伴 品玩 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈陸地上造的火箭,為什麼都給運去海上發射了?〉。)

【我們為什麼挑選這篇文章】火箭作為運載工具,可以搭載各種用途的衛星、太空船、探測器等,是人類探索太空的重要發明。然而火箭要能成功發射,各項技術、場地選擇、天氣狀況等條件都必須相當完善,究竟要在哪裡發射升空才能提高火箭發射的成功率?(責任編輯:賴佩萱)

前有 SpaceX 的獵鷹系列運載火箭,最近則有中國的長征十一號火箭,這些在大地上製造的火箭,一個個都跑去海洋上發射升空,難道是這陸地不夠大,還是這海洋有什麼魔力?

透過火箭發射計畫探索未知太空

9 月 15 日,長征十一號運載火箭發射成功。據央視新聞報導,本次發射採用「一箭九星」方式順利將「吉林一號」高分 03-1 組衛星送入預定軌道。本次發射的衛星組成包括「央視頻號」衛星在內的 3 顆影像成像模式衛星和 6 顆推掃成像模式衛星,「嗶哩嗶哩影音」衛星在上一次發射失敗後此番終於順利升空。

本次發射的衛星主要用於獲取高分辨率可見光推掃影像和影片影像,將為中國國土進行資源普查、城市規劃、災害監測等提供遙感服務。

除了衛星組列,此次的發射場地值得關注。本次發射地點沒有設在常規的四大發射中心(酒泉、太原、西昌、文昌),而是在黃海海域上實行發射。無獨有偶,大洋彼岸意在最終將火箭推向商用的 SpaceX CEO 伊隆.馬斯克也在 8 月表示「海洋太空港是星際飛船及其運載火箭的未來」。

全世界的火箭都上趕著離開陸地,在陸地上順利發射了這麼多年後,火箭為什麼要搬去海上?

1. 離赤道越近越好

海上相比陸地的優勢之一,是能更接近低緯度的赤道地區,這意味著可以最大程度借到地球的自轉速度來提升火箭的運載能力。

因緯度不同,地球表面各地的線速度(切面速度)會發生變化,並與緯度成反比——這可以理解為「在角速度不變的情況下,各緯度上的人隨著地球自轉一圈的時間一致」,於是周長越長的低緯度地區,人的「奔跑」也越快。

這個「奔跑速度」就可以理解為「線速度」。地表的線速度可以視為火箭擁有的初始速度,借到的初始速度越大,火箭需要達到目標速度所需的推進劑燃料就越少,從而火箭的運載能力得以提高。

另一方面,海上發射平台更容易大規模移動。而由於公海的存在,理論上任何國家的火箭發射都可以移動到接近赤道的位置來實施,因此海上場景成為火箭發射提升運載能力上限的突破口之一。

深藍色為公海區域

除此之外,海上發射利於進行特殊軌道任務,比如為了滿足更複雜的商業用途,小傾角衛星被越來越重視。而據長征十一號運載火箭副總指揮金鑫介紹,火箭從赤道附近發射,可以避免衛星軌道傾角變化產生能量消耗,可以同時提高火箭運載能力以及使用壽命。

2. 比陸地發射更安全

除了運載能力的提升,海上發射的安全隱憂也更小。

火箭升空後助推器燃料耗盡會掉落,更壞的情況是,火箭發射一旦失敗也會落回地面,所以落區安全是火箭發射任務中的重要考慮因素。

因此發射基地往往設在人口稀少的地域。以中國四大發射中心為例,酒泉和太原發射中心分別設在戈壁灘和沙漠邊緣,西昌和文昌發射基地前者居於大涼山腹地,後者臨海。四地都是低人口密度地區。

海面對於火箭發射無異於在一片無人區,任務設計中對於落區位置的控制可以更為寬容。世界上一些主要的發射基地,如美國的西部航空和導彈試驗中心,俄羅斯的普列謝茨克基地等,都設立在濱海位置,且發射朝向面向海域,其中都有出於第三方安全性的考慮。

全球航天發射場佈局

如果火箭發射大規模投入商用,甚至在未來成為一種交通工具。那麼發射時巨大的噪音也是考慮因素之一。馬斯克對於 SpaceX 星際飛船的使用構想是一年 1000 次發射任務,在此前的一次採訪中,他表示未來星際飛船可能以從海上發射為主,主要是出於飛船起飛頻繁且噪音太大的考慮。

海上發射火箭還是存在許多風險

但海上發射並不是全無風險,多變的自然環境是不可忽視的未知因素。

在世界各國的航空發射過程中,有一套「火箭發射天氣標準(weather launch commit criteria)」需要嚴格遵守。其中對避免積雲、雷暴等天氣狀態有嚴格要求,今年早些時候 SpaceX 載人航空發射計劃最初就曾經由於天氣原因被迫推遲。

火箭發射天氣標準(weather launch commit criteria)

相比陸地,海上局部的自然環境多變且更難預測。海上發生雷暴天氣的概率較高,且具有高鹽霧(指大氣中由含鹽微小液滴所構成的彌散系統)的特性。前者會干擾電子設備,後者則會腐蝕暴露在外的設備表面,並且海上黴菌濃度高,會造成有機材料的黴化變質並引起電器元件的短路等狀況。

在美國航空飛機的任務歷史中,接近半數的延期發射都與天氣因素相關。「天有不測風雲」是海上發射的最大變數,運載火箭設備選型和發射方案都需要根據海上環境做相應調整。

同時由於水面不同於陸地,發射平台需要實現長時間航向保持、動態方位傳遞等動基座瞄準技術研究及試驗驗證。為了保證人員安全,這一切都需要遠程操控,平台上需要實現無人值守發射,這也是海上火箭發射在面臨嚴苛的自然環境因素之外,另一方面的技術難點。

但目前看來,這些困難都無法阻擋火箭們前往汪洋大海發射升空的決心,火箭和海洋是越靠越近了。

(本文經合作夥伴 品玩 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈陸地上造的火箭,為什麼都給運去海上發射了?〉。)

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