[科普中國]-一箭多星、固體燃料，長征十一號海射火箭和“東風(fēng)31”如此相似

2019年6月5日12時(shí)06分，位于黃海海域北緯34°53′58″、東經(jīng)121°11′25″的發(fā)射平臺(tái)上，隨著一聲巨響，一束耀眼的光劃破天際。一段時(shí)間后，長征十一號海射運(yùn)載火箭將技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星捕風(fēng)一號A、B星及五顆商業(yè)衛(wèi)星總共七顆衛(wèi)星順利送入預(yù)定軌道，完成了“一箭七星”的高難度航天任務(wù)，試驗(yàn)取得圓滿成功。這是我國首次在海上實(shí)施運(yùn)載火箭發(fā)射技術(shù)試驗(yàn)，不僅滿足了衛(wèi)星不同傾角的發(fā)射需求，也促進(jìn)了我國商業(yè)航天的發(fā)展。運(yùn)載火箭海上發(fā)射具有靈活性強(qiáng)、任務(wù)適應(yīng)性好、發(fā)射經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，可通過靈活選擇發(fā)射點(diǎn)和航落區(qū)，滿足各種軌道有效載荷發(fā)射需求，為“一帶一路”沿線國家提供更好的航天商業(yè)發(fā)射服務(wù)。為什么選擇在海上進(jìn)行發(fā)射，海上發(fā)射是如何發(fā)展起來的？海上發(fā)射存在哪些技術(shù)難題？這次的長征十一號火箭與東風(fēng)31型導(dǎo)彈有關(guān)系嗎？海上發(fā)射究竟有何優(yōu)勢？第一，海上發(fā)射能夠提高火箭的運(yùn)載能力。如果選擇在海上平臺(tái)進(jìn)行發(fā)射，我們就可以選擇廣袤海域中的任何一點(diǎn)作為我們的發(fā)射地點(diǎn)，機(jī)動(dòng)性和靈活性很強(qiáng)。眾所周知，選在靠近赤道附近的低緯度區(qū)域進(jìn)行發(fā)射擁有很大優(yōu)勢。地球圍繞南北兩極的連線進(jìn)行自轉(zhuǎn)，即地球每一點(diǎn)的角速度相同。在角速度相同的條件下，旋轉(zhuǎn)的半徑越大，速度越大。更大的速度意味著能夠給火箭提供更大的初始動(dòng)能，進(jìn)而節(jié)省火箭飛行所需的燃料并且能夠使火箭擁有更大的運(yùn)載能力。第二，海上發(fā)射有利于運(yùn)載火箭執(zhí)行特殊軌道發(fā)射任務(wù)。隨著我們對通信服務(wù)需求的日益增大，特殊傾角衛(wèi)星也越來越受到重視。軌道傾角是指衛(wèi)星的軌道面與地球赤道面的夾角。軌道傾角越小，衛(wèi)星能夠掠過某地面區(qū)域上空的頻率就更大。而衛(wèi)星成功入軌的過程與發(fā)射地點(diǎn)直接掛鉤，倘若發(fā)射地點(diǎn)有利，那么衛(wèi)星入軌所需要消耗的時(shí)間就更短。所以，成功實(shí)現(xiàn)海上發(fā)射將為選擇發(fā)射地點(diǎn)提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐和保障。第三，海上發(fā)射將大幅提高火箭發(fā)射的安全性。對陸基發(fā)射火箭而言，落區(qū)安全是發(fā)射任務(wù)設(shè)計(jì)中的重要因素。我們要謹(jǐn)慎選擇發(fā)射地點(diǎn)，并對火箭殘骸的落點(diǎn)進(jìn)行精確計(jì)算，防止發(fā)射過程中分離的部分落入人口稠密的地區(qū)，確保發(fā)射的安全。同時(shí)，還要考慮到倘若任務(wù)失敗，火箭爆炸造成的影響應(yīng)盡量降到最低。而海上發(fā)射可以自由選擇區(qū)域，遠(yuǎn)離人口稠密的地區(qū)，極大程度提高了發(fā)射的安全性。海上發(fā)射發(fā)展史在60年代中期，美國曾制造了圣·馬可（San Marco）海上發(fā)射平臺(tái)，但該平臺(tái)僅能發(fā)射小型衛(wèi)星，且該平臺(tái)為固定平臺(tái)，無法發(fā)揮海上發(fā)射的優(yōu)勢。目前該平臺(tái)底座沉在肯尼亞海岸附近的淺海海底。1995年，美國波音公司、烏克蘭南方公司、俄羅斯能源科研生產(chǎn)公司和挪威克韋爾納公司組成一個(gè)海上發(fā)射公司，它們準(zhǔn)備在地球赤道附近的海洋上建立一個(gè)與“圣馬可”相類似的海上發(fā)射平臺(tái)，也是由兩部分組成，一部分用于發(fā)射，一部分用作控制中心。不同之處是這個(gè)平臺(tái)是安裝在一艘船上。這個(gè)發(fā)射平臺(tái)設(shè)計(jì)有133米長，60米寬，42.5米高，重達(dá)3萬多噸。支撐平臺(tái)的4根大圓柱，直徑就有10米以上。海上發(fā)射公司的“天頂號”運(yùn)載火箭，其有效載荷運(yùn)載能力為5000千克，可將載荷運(yùn)送至地球同步軌道。至2008年9月，海上發(fā)射公司進(jìn)行的29次發(fā)射中，有2次失敗，另外還有1次部分失敗。整體擁有較高的可靠性能。時(shí)至今日，海上發(fā)射技術(shù)已日趨完善。許多國家的海上發(fā)射技術(shù)都已經(jīng)有了極大的進(jìn)展，并衍生出一系列新技術(shù)。例如，美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）已經(jīng)研制成功的“海上回收平臺(tái)”，即“自動(dòng)航天港無人船”（Autonomous Spaceport Drone Ship，ASDS），是在甲板駁船的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來。它安裝了用于維持位置的動(dòng)力系統(tǒng)，以及大型的著陸平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制或遠(yuǎn)程遙控，在海上作為獵鷹－9（Falcon-9）火箭一子級著陸的平臺(tái)，是該公司火箭重復(fù)使用計(jì)劃的重要設(shè)施。SpaceX公司共有3個(gè)海上回收平臺(tái)，其中2個(gè)在用，另外一個(gè)（也是最早投入使用的平臺(tái)）已不再執(zhí)行發(fā)射任務(wù)。在用的2個(gè)海上平臺(tái)代號分別為“請閱讀說明”（Just Read the Instructions）和“當(dāng)然我依然愛你”（Of Course I Still Love You）?！罢堥喿x說明”平臺(tái)?？吭诿绹骱０陡浇?，在太平洋上回收從范登堡空軍基地執(zhí)行發(fā)射任務(wù)的獵鷹－9火箭一子級；“當(dāng)然我依然愛你”平臺(tái)?？吭诿绹鴸|海岸附近，在大西洋上回收從卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射的獵鷹－9火箭一子級。“海上發(fā)射”除了發(fā)射地點(diǎn)不一樣，發(fā)射過程有啥區(qū)別？第一，海上發(fā)射的發(fā)射窗口更難把握。航天任務(wù)的進(jìn)行需要考慮諸多因素，例如海上發(fā)射環(huán)境中的溫度、濕度、風(fēng)速等等。而海平面的氣候變化可以說是極度復(fù)雜，發(fā)射的時(shí)機(jī)轉(zhuǎn)瞬即逝。所以這對擔(dān)任指揮的部門而言是巨大的挑戰(zhàn)。第二，發(fā)射平臺(tái)要可靠。海上發(fā)射的巨大困難就在于發(fā)射平臺(tái)的研制難度大。同時(shí)，海平面起伏不定，會(huì)對發(fā)射任務(wù)造成影響。所以有相當(dāng)一部分發(fā)射采用多次推進(jìn)的方法，長征十一號便是使用了這種方法來盡量減小平臺(tái)搖晃帶來的影響。如下所示，我們能夠清楚地看到，發(fā)射指令下達(dá)后，火箭的底部先進(jìn)行一次劇烈的爆炸，將整體高度抬升，之后再進(jìn)行點(diǎn)火，進(jìn)行任務(wù)的下一過程?，F(xiàn)場觀看獨(dú)家視頻：長征十一號海射火箭升空，第三，燃料的問題。受發(fā)射窗口的影響，如何快速的填充發(fā)射燃料也是一個(gè)必須考慮的問題?；鸺娜剂弦话惴譃楣腆w和液體兩種，使用液體燃料就勢必需要兩艘運(yùn)輸船，一艘拉火箭，一艘拉燃料。相對來說，固體燃料要比液體燃料更適應(yīng)海上發(fā)射。本次發(fā)射的長征十一號運(yùn)載火箭就采用了固體燃料。長征十一號運(yùn)載火箭與東風(fēng)31號有何密切聯(lián)系？其實(shí)從某種意義上說，“一箭多星”的設(shè)計(jì)其淵源很可能在于導(dǎo)彈的“分彈頭”設(shè)計(jì)。“一箭多星”是對分彈頭的一種民用延伸。此次發(fā)射任務(wù)成功后，外界紛紛猜測長征十一號是否為東風(fēng)31號彈道導(dǎo)彈改裝而來，這樣的猜測不無根據(jù)，特將數(shù)據(jù)列出如下，供讀者對比思考。從數(shù)據(jù)我們可以看出，長征十一號運(yùn)載火箭很可能是東風(fēng)31號彈道導(dǎo)彈的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改良。改良的內(nèi)容可能包括在東風(fēng)31號彈道導(dǎo)彈的基礎(chǔ)上增加了新的一級助推器，以提高其運(yùn)載能力及安全性能。當(dāng)今，隨著商業(yè)航天的推進(jìn)，發(fā)射的成本和門檻逐漸降低。同時(shí)，越來越多的軍事科技正在逐步應(yīng)用到商業(yè)和民用領(lǐng)域。借此勢頭，商業(yè)航天涉及到的領(lǐng)域不再僅僅是解決探空或衛(wèi)星發(fā)射，而是逐步向深空邁進(jìn)。面對浩瀚無窮的宇宙，我們的探索或許才剛剛開始。作者：朱斌 北京航空航天大學(xué)飛行器設(shè)計(jì)工程博士審稿：趙磊 北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院助理教授編輯：王波文章由騰訊科普“科普中國頭條創(chuàng)作與推送項(xiàng)目”團(tuán)隊(duì)推出轉(zhuǎn)載請注明來自科普中國