首先需要明确的是,不同的探测任务 ,对发射场的要求是不一样的,例如:发射深空探测器,低纬度的文昌航天发射场就有绝对的优势,而如果是发射地球极轨卫星,高纬度的太原卫星发射中心更合适;发射大尺寸的火箭,有船运的文昌航天发射场不可替代,而如果是发射小尺寸的火箭,铁路交通便利的酒泉太原西昌卫星发射中心就完全能胜任;载人任务有安全和再入的需求,大戈壁酒泉就正合适……更详细地,受限于每个国家的地理位置、地理环境和历史原因,发射场的选择也难免有不完美的地方。这里我只深入聊聊对于深空探测任务,也就是月球、火星、小行星这类探测任务,我国四个发射场的选择问题。
航天发射场的选择,必定是基于多方面因素综合考虑的。而对于深空探测任务来说,最起码有这几个要素是避不开的:
1)安全。航天发射是一项高危的活动,这不仅是对负责火箭的航天工作人员而言。即使是火箭发射成功,飞行沿途抛掉的火箭芯级和整流罩等残骸掉落回地面也可能给居民的生命财产安全造成危害。因此理想状况下火箭发射场最好选在人迹罕至的地方。如果是载人航天的话还需要考虑航天员从逃逸塔逃出降落的情况,那就不仅要人烟稀少,地形还要尽量平坦简单,一望无际的戈壁大沙漠最好,从这个角度来说,酒泉就非常优秀,我国的载人航天任务都是从酒泉卫星发射中心发射的。
2)交通运输。如果是铁路运输火箭,那么选址在铁路交通发达的地方就会很方便,但这样的发射场也同时会受限于铁轨和隧道的尺寸,最典型的例子就是我们大名鼎鼎的胖五“长征五号”。因为我们的胖五直径有5米,过不了隧道,所以如果是运往依赖铁路交通的酒泉、太原或者西昌发射中心就会遇到麻烦了。
3)纬度。对于地球卫星来说,发射场的纬度并不是越低越好,因为不同的卫星需要的发射角度和轨道角度也不同。举个例子,气象卫星常常是极轨卫星,也就是说轨道平面和地球自转平面近乎垂直(实际会在90多度,自东向西飞),对于这样的卫星,从高纬度发射更利于克服地球的自转,让卫星更省燃料地抵达预定轨道。典型的例子是我国卫星风云三号气象卫星,两颗试验型卫星和两颗业务型卫星均是在纬度较高的太原卫星发射中心发射的。
但对深空探测任务则是另一回事了。深空任务不仅不存在克服地球自转的问题,而且往往还需要借助地球的自转来达到一个尽量高的初始速度——发射点越靠近赤道,火箭能“蹭到”的初速度就越大,因此对于深空任务(和一部分地球卫星)来说,发射场纬度通常越低越好。从这个角度来说,文昌航天发射场和西昌卫星发射中心有着绝对的优势,而酒泉和太原卫星发射中心就不是优选了,所以接下来我们也不对这两个发射场做深入介绍了,感兴趣的朋友可以打开抖音搜索”航天直播“,看“我们的太空”联合中国四大航天发射场在抖音进行直播。
讲完了“道”,我们先大致浏览一圈国外近些年主要的深空任务的发射场来理一理“术”。
美国:洞察号火星着陆器,发射于加州范登堡空军基地。其实这是美国第一个发射于范登堡空军基地的深空任务,之前所有的深空任务都是发射于境内最靠近赤道的佛罗里达州卡纳维拉尔角。不过呢,因为发射洞察号的宇宙神V 401火箭运力大大超标了(火箭的地火转移运力2吨多,但洞察号的发射质量只有…约700公斤),所以在纬度更高的范登堡空军基地发也无所谓,完全不怕浪费,就是可以放肆。
欧洲: ESA和JAXA联合发射的贝比科隆博号水星探测器,发射于法属圭亚那库鲁航天中心。显然,整个欧洲纬度都不低,大片人烟稀少的地方也不好找,所以直接把发射场建在了欧洲大陆之外,靠近赤道的法属圭亚那。
日本:隼鸟2号小行星采样返回任务,发射于日本境内几乎最靠近赤道的种子岛,纬度已经到了国内的极限,四面都是海掉渣也不怕砸到啥。
俄国:与欧空局合作的ExoMars 2016火星轨道器,发射于拜科努尔航天发射场。客观来说拜科努尔航天发射场的纬度真的不低(北纬46度),但对俄国来说也已经尽力了。再加上这里是俄国的老牌发射场(也是世界第一座,同时也是最大的一座航天发射场),历史积淀深厚,也不太可能轻易挪窝,再加上这里人烟稀少交通便利,所以综合来说已经是俄国最合适的深空发射场了。
小试牛刀之后,再回来看看我国深空探测任务的发射场选址,是不是现在已经胸中有丘壑了?
前面已经提到,我国深空探测任务只选在纬度最靠近赤道的两个发射场:位于四川省凉山彝族自治州的西昌卫星发射中心和位于海南的文昌发射场。
西昌卫星发射中心是我国的老牌深空发射场之一,嫦娥一到四号和鹊桥号月球任务都是在西昌发射的,接下来的小行星-彗星探测任务郑和号目前也是选定在西昌发射的。
在2014年底文昌航天发射场建成之前,西昌卫星发射中心是我国纬度最低的发射场,用来发射深空任务(和很大一部分地球卫星,比如北斗、各种通讯卫星)当仁不让。不过西昌卫星发射中心周围的算不上人烟稀少,火箭残骸掉落砸坏民居的事时有发生。
相比之下,新建的文昌发射场在各方面堪称完美:不仅纬度更低,让火箭可以“蹭到”更大的初速度,而且位置临海,不怕残骸掉落砸到民居。
此外,相比于依赖铁路运输的西昌卫星发射中心,可以通过船来运输火箭的文昌发射场显然更能满足我国接下来将要发射越来越大型的火箭的需要。除了接下来运送天问一号火星任务和嫦娥五号月球任务的长征五号会选在文昌发射,用于发射货运飞船的长征七号也选在在文昌发射。
另一方面,相比于位于中部地区的西昌卫星发射中心,位于海南的文昌航天发射场的气候更加宜人,配套设施更加齐全,景色也更优美,适合将来发展成航天旅游景观、火箭发射参观胜地、航天科普教育基地等。
近期抖音直播联合中国四大航天发射场发起“我们的太空”直播活动,每天下午直播带你参观两处航天发射场。如果你还想了解更多四大航天发射场的科普和故事,不妨去抖音上搜索“航天直播”进行观看。
今天下午的两场分别是酒泉和西昌卫星发射中心的现场介绍,有一说一,做了这么长时间航天科普,到现在还没去过发射场,没看过火箭发射,所以通过看直播还真是涨了不少见识。
例如酒泉卫星发射中心的塔架、配电柜,还保持着五十年前的样子:
埋在黄沙下的住房,都是当年的工作人员们艰苦生活的见证:
地下工作室里的潜望镜(可以看到地上的发射台情况)和“一定要在不远的将来赶上和超过世界先进水平”的标语。五十年前的愿望,如今的我们正在逐步实现:
长得像大黄蜂一般的脐带塔和长得像笼屉一般的雷达,真的是眼界大开:
西昌卫星发射中心那边就是另一番景色了,天色都澄净得多,也看的到青山绿树了:
长三火箭的三级和二级发动机:
导流槽和气象台测电场强度的小圆筒(用于雨季预测强雷暴):
探空氢气球“大白”:
还有很多以前没有见过,没有听说过的,例如现场演示传防护服,还有老一辈航天人的故事……
两边卫星发射中心的主持人小哥哥小姐姐都很专业,如数家珍,很腻害,参与直播的航天工作者们也很可爱。
明天还有两场,下午两点准时开始,期待和太原卫星发射中心和文昌航天发射场的近距离接触~
简单答案:
历史背景和实际用途两方面的原因都有。
四大发射场中,酒泉是元老,一开始为苏联专家援助选址、设计。酒泉卫星发射中心深处内陆,周围都是荒漠,地势平坦、远离人烟。无论是出于反间谍、反空袭,这两方面的军事及情报安全性上的考虑,还是在万一发射任务失败,或者抛弃整流罩的溅落区这样的对于平民的安全角度考虑,在始建之时都是上佳之选。酒泉承担了中国的首颗卫星发射任务,以及首次载人任务。在2020年初的目前,为中国目前唯一发射过载人任务及空间站任务发射场。
太原卫星发射中心原为酒泉的一号备份,在中苏关系紧张时开始建设。地处1400米左右的山区。目前主要承担太阳同步轨道和极地轨道任务,发射的卫星包括气象、光学遥感、资源、通信等多种用途。
西昌可视为酒泉的二号备份,同样在中苏关系紧张时开始筹建。地处四川境内1500米左右的山区,纬度较前两者都低。西昌承担了中国首颗通信卫星的发射任务。从80年代中期开始,主要承担国内外的商用通信卫星发射任务,主攻地球同步轨道。进入新世纪,西昌又承担了至今为止所有的嫦娥探月任务。
文昌虽然是后起之秀,但是地理位置得天独厚。在四大发射场中纬度最低,而且临海,载荷能力、任务安全性、扩建潜力都非常可观。未来将会成为中国的卡纳维拉尔角,不但会承担各种卫星发射、空间站、探月、载人航天等任务,也会成为中国民营商业航天的摇篮。
图一,最近的人气明星 -- 长征5号B火箭。图片来源:中国航天科技集团。
详细答案:
要谈航天发射场,就不得不从航天技术与军事技术的联系说起。毕竟,几乎每一个当今航天大国的运载火箭计划,都是从弹道导弹研制计划发展而来的。
以美国为例,1958年把美国第一颗人造卫星“探索者1号”(Explorer 1)送入轨道的朱诺1型火箭(Juno I)就是直接从红石导弹/火箭家族中的PGM-19 “木星”(Jupiter, 也可译为朱庇特)中程弹道导弹改装而来。而三年后,美国的第一次载人太空任务中,把美国航天员艾伦·谢泼德送入轨道的也是同为红石家族成员的水星-红石(Mercury-Redstone)火箭。
而航天发射场也是如此。
再次以美国为例,大名鼎鼎的卡纳维拉尔角是美国航天当仁不让的一哥,在无数好莱坞大片、科幻电影、太空电影里出现过。在卡角48个曾使用过及在建的发射塔台之中,其实只有靠北的4个是真正属于美国航天局(NASA)的,而其他的44个,则一开始都属于美国空军。而美国的航天任务,一开始占主导地位的也毫无疑问的是美国军方。
图二、三:卡角航拍及发射台地图。图片来源:维基百科 / 美国航天局(NASA)。
现在网上有一句很流行的话其实挺有道理:兔子是摸着鹰酱过河。也就是说中国在很多方面的发展都借鉴了美国经验。这句话在航天上也部分成立,当然,在早年一开始的时候,借鉴的更多是苏联的经验。
酒泉篇
跟美苏这两个当年的超级大国一样,中国早年的航天技术发展也是与军事技术密切相关的。中国的第一个航天基地 -- 酒泉卫星发射中心,在1958年始建之时,初衷就是解放军的地对地弹道导弹发射场。
在1957年人民解放军总参谋部决定筹建导弹试验场及靶场后,当年年底,列·米·盖杜柯夫少将率苏联专家组到达中国协助选址、设计。在1958年,发射场选址定于甘肃名城酒泉的东北300余公里处。同年,中国人民志愿军第二十兵团的司令部、政治部机关及直属队部分人员秘密自朝鲜回中国参加导弹基地的组建。
经过两年的艰苦建设,1960年11月,发射场投入使用,并成功发射了中国首枚地地导弹东风一号。发射场的正式名称一开始为中国人民解放军第二十训练基地,又名东风基地。
1966年,中国首枚装备核弹头的弹道导弹从酒泉基地成功发射。
1970年4月24日,一枚长征一号运载火箭从酒泉卫星发射中心升空,并成功的把中国第一颗人造卫星东方红一号送入了轨道。至此,“两弹一星”画上了一个圆满的句号。
酒泉卫星发射中心深处内陆,周围都是荒漠,地势平坦、远离人烟。在始建的中苏蜜月期之时,无论是出于反间谍、反空袭,这两方面在军事以及情报安全上的考虑,还是在万一发射任务失败,或者抛弃整流罩的溅落区这样的对于平民的安全角度考虑,都是上佳之选。酒泉承担了中国的首颗卫星发射任务,以及首次载人任务。到2020年初为止,为中国目前唯一的载人任务及空间站任务发射场。
图四,酒泉卫星发射中心,发射台基座近景。图片来源:抖音直播截图,抖音“离开地球表面”四大航天发射场联合直播活动。
图五,酒泉卫星发射中心航拍动图。图像来源:中国航天科技集团。
太原篇
在1960年代中苏关系开始紧张、边境摩擦加剧、苏联入侵变为一种可能之后,接近中蒙边境、而且地形开阔的酒泉卫星发射中心的军事安全就顿时成为一个问题。于是,太原卫星发射中心在1966年开始选址勘测,1967年开始建设。1968年投入使用,成为中国第一个自行设计建造的火箭发射场。同年12月,中国第一代自行设计研制的液体中程运载火箭在此首发成功。
太原卫星发射中心地处1400米左右的山区,距离太原市284公里。太原卫星发射中心的缺点在于交通其实并不太便利,尤其是山区并不利于火箭箭体、大型部件的公路、铁路运输。太原目前主要承担太阳同步轨道和极地轨道任务,发射过的卫星包括“风云”、“实践”、“遥感”、“高分”、“资源”等系列,涵盖了气象、光学遥感、资源、通信等多种用途。
图六, 太原卫星发射中心地形环境。
西昌篇
西昌卫星发射中心在某种程度上可以视为酒泉的二号备份,在中苏关系紧张的1969年开始筹建。西昌地处四川境内1500米左右的山区,远离中苏边界。而且纬度较酒泉和太原都低,比前两者更能利用地球自转,从而在使用同型火箭的情况下增加任务载荷。西昌承担了中国首颗通信卫星的发射任务。从80年代中期开始,主要承担国内外的商用通信卫星发射任务,主攻地球同步轨道。进入新世纪,西昌又承担了至今为止所有的嫦娥探月任务。
然而,西昌卫星发射中心的缺点和太原也极相似。当初为了保密和军事安全的选址,同样有着深山中交通不便、基地人员生活不便的问题。
图七,西昌卫星发射中心地形环境。
图七B,抖音直播上的小姐姐在西昌采访航天口的小哥哥。图片来源:抖音直播截图,抖音“离开地球表面”四大航天发射场联合直播活动。
文昌篇
文昌航天发射场虽然是中国四大航天发射场中的小弟弟,但是它的潜力却是最大的。
与三位哥哥不同,文昌航天发射场从立项开始就是地方政府大力推动、以民用而非军用为主导目标的。1996年,由当时的海南省科技厅副厅长主持,完成了《海南新世纪国际商用航天港可行性研究报告和项目建议书》,并向国家正式申报。在这个规划中,发射中心初步定在文昌铜鼓岭以北的昌洒镇一带,拟建中的发射场几百米之外就是大海,方便大型运载火箭运输。在一些政协委员不懈的努力下,2000年,“海南国际商业航天发射中心”终于被正式列入国家“十五”计划。
文昌的地理位置得天独厚。在四大发射场中纬度最低,而且临海,接收大型火箭的运输能力,发射时的载荷能力、安全性、扩建潜力都非常可观。在四大发射场中,文昌最有可能在将来成为中国的卡纳维拉尔角。不但能够承担“国家队”的各种卫星发射、空间站、探月、载人航天等任务,也会成为中国民营商业航天的摇篮。前不久的5月5日,中国新一代载人飞船的试验船就由长征5号B从文昌成功发射入轨。
图八、九,文昌航天发射场地形环境。图片来源:中国航天科技集团
从未来的发展方向来看,保密更为容易、而且军方背景更浓厚的酒泉、太原、西昌,应该可以对标美国的范登堡空军基地,主要发射“国家队”的卫星以及较为敏感的光学卫星。
而文昌航天发射场,则可以专注在民用方向。除了发射“国家队”的载人任务、空间站任务、探月任务以及深空探测、火星探测任务之外,还可以承接国外的商业卫星发射任务,以及支持国内的民营商业航天企业。
火箭发射并不只是提供一块空地和一个架子这么简单。而是必须有从运输、组装、燃料储存及加注、测控、通信、安全保障等等一系列的配套基础设施和人员。而一个成熟的发射场必须能够相对标准化的提供这一系列的服务。
在鼓励民营商业航天企业这个问题上,完全可以再次摸着鹰酱过河。
以美国的卡纳维拉尔角为例,目前NASA自有的39B号发射台出租给了SpaceX。美国空军拥有的13号、40号发射台出租给了SpaceX;37B、41号租给了ULA;11号将会租给亚马逊老板投资的蓝色起源;20号将会租给初创公司萤火虫空天公司(Firefly Aerospace)。而16号发射台将会租给我非常看好的另一家初创 -- 相对论航天公司(Relativity Space)。
这里多嘴说一句,相对论航天公司在技术上最主要的特点是用3D打印制造包括火箭引擎在内的大部分火箭零部件。这样,一来可以减少液体火箭引擎里面的零件数量,二来设计迭代可以更快。他们去年年底获得了1.4亿美元的C轮投资,足够完成火箭首飞。笔者前两年参观过他们那个有一个房子那么大的、据说是全世界最大的多臂3D打印机,确实是有其独到之处。
图十:相对论航天的超级3D打印机。图片来源:3Dprint.com / Relativity Space
美国除了多年的航天科技发展,有着坚实的人才和技术储备之外,充足的航天发射场、试验场这样的基础设施也是重要因素之一。
只要稳步前进,未来,文昌航天发射场完全有潜力成为比肩卡纳维拉尔角的航天港。
未来展望篇
航天科技和航空有很多相似之处。航空领域在一开始发展的时候也经历过最尖端的科技是军用为主的阶段,但是真正的发扬光大则是在民用航空得到充分发展的时候。到了今天,乘坐飞机出行已经是很多人触手可及的事情。
航天领域虽然比航空门槛更高,但是终究会有更加平民化的一天。而商业化、民营化,则是让航天更为平民化的必经之路。
在让航天更贴近我们每个人的生活的路上,文艺作品、影视作品、媒体都是必不可少的。美国之所以有那么多的航天人才,某种程度上也归功于其各种太空题材的科幻小说和影视作品。当年“星际迷航” (Star Trek)里的一句 “Space: the final frontier” “太空:最后的处女地” ,激励了多少个像谢耳朵一样的少年啊!
同样,今天的中国,也需要更多的作品和媒体来激励大众对航天的热情。《三体》和《流浪地球》的成功,已经充分的证明了这点。而让民众了解真实的航天技术,则能让民众更支持国家对航天工程和事业的投入。也会为民营商业航天公司提供更多的潜在顾客和潜在投资者。
这一点上,美国的NASA一直做得很好。笔者就是从大学时代开始,一直参与NASA发放的公众设计项目,保持了对航空航天的热情。同时,NASA也一直在与时俱进。这几年一直利用新媒体和社交网络,多次进行过火箭发射网络直播。
当然,中国航天也没有落后,“我们的太空”官方机构号这次在抖音直播平台上,推出“离开地球表面”四大发射场联合直播活动喽。各位同学走过路过,千万不要错过哦。
图十一,抖音“离开地球表面”四大航天发射场联合直播活动活动海报。图片来源:抖音
参考资料链接:
https:// en.wikipedia.org/wiki/L ist_of_rocket_launch_sites
https://baike.baidu.com/item / %E8%A5%BF%E6%98%8C%E5%8D%AB%E6%98%9F%E5%8F%91%E5%B0%84%E4%B8%AD%E5%BF%83
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http://www. xinhuanet.com/politics/ 2020-02/05/c_1125535182.htm