航天器的发射

第2讲　航天器的发射

航天器要发射升空并准确进入轨道，离不开运载火箭。而运载火箭的发射，最初几乎均在地面进行。随着航天技术的发展，航天器的发射升空并非一定要依靠运载火箭，而运载火箭的发射也并非一定要在地面进行。

地　面　发　射

地面发射主要是在地面航天发射中心进行的，它是目前应用得最多的一种发射方式。

地面航天发射中心场地的选择是非常复杂的，一个好的场地通常应具备以下几个基本条件：具有优越的地理位置，尽可能处于本国的低纬度地区，这样可以“借”得地球自转速度，节省运载工具的能量消耗；具有良好的自然条件，如人烟稀少（一旦发生事故，可以减少伤亡）、晴天多、气温变化小等，气候条件将直接影响航天器的发射、回收、测量跟踪等；具有良好的航区，是指航天器从起飞到入轨这段飞行路线下的地面区域，应尽量避开人口稠密区、重要工业区和军事要地等；有利于环境保护，避免运载工具等所使用的推进剂废液、航天器发射时的声响等对周围环境造成污染。此外，交通运输、发展潜力等因素在选址时也要纳入考虑范围。

地面发射

目前世界上有23座航天发射场，其中有一座名叫库鲁航天发射中心，它的名气并不大，却是世界上最佳的航天发射地点。库鲁航天发射中心建在南美洲东北海岸的法属圭亚那，位于北纬5度，紧靠赤道，具有优越的地理位置。如果用同一种运载火箭将卫星送入赤道上空的轨道，那么在库鲁航天发射中心发射可以比在美国肯尼迪航天中心发射多载15%的负荷。这是因为纬度越低的航天发射场，地球离心力越大，“借”力效应就越明显。而在海南省文昌市筹建中国第四个航天发射场，其中一个重要的原因就是海南省文昌市靠近赤道。下面的数据对比可以充分说明航天器在赤道附近发射比远离赤道发射效果好很多：在赤道附近发射航天器初速可达465米/秒，而若远离赤道发射，如在俄罗斯的普列谢茨克发射场发射，其初速仅为210米/秒，也就是说，在赤道附近发射航天器可以多“借”得地球自转带来的约30%的运载能力（相对于普列谢茨克发射场）。

中国四大航天发射中心

酒泉卫星发射中心　中国最早的卫星发射试验基地，建于1958年。坐落在甘肃省酒泉市东北，人烟稀少，气候干燥，全年有约300天可供发射试验之用。中国第一颗人造地球卫星“东方红1号”、第一颗返回式卫星以及“神舟”系列飞船均从这里飞向太空。

西昌卫星发射中心　以发射地球静止卫星为主的航天发射基地，建成于1983年。中心总部设在四川省西昌市，卫星发射场位于西昌市西北65千米处的大凉山峡谷腹地。中国的“嫦娥一号”和“嫦娥二号”卫星均从这里飞向月球。

太原卫星发射中心　中国科学试验卫星、应用卫星和运载火箭的发射试验基地，建于1966年。位于山西省太原市西北的高原地区，人烟稀少，气候干旱，交通方便。担负太阳同步轨道、气象、资源等卫星和运载火箭发射试验任务，还可发射中倾角的中低轨道卫星。

海南文昌航天发射中心　正在建设中的中国第四个航天发射中心，可满足新一代运载火箭和新型航天器发射任务的需求。建成后，将承担大质量极轨卫星、大吨位空间站和深空探测器等航天器的发射任务。

海　上　发　射

实践证明，传统的从地面发射航天器的方法存在着明显的缺陷：会对环境造成严重污染，而且费用昂贵。例如，进行地面发射时，美国“大力神号”火箭的固体燃料发动机会释放出大量破坏地球臭氧层的有害气体，俄罗斯“质子号”运载火箭起飞时也会释放出大量有毒物质污染环境。

为此，美国、俄罗斯等国的科学家们正在研究新的发射方式，海上发射便是其中之一。

海上发射与地面发射相比，具有以下几个方面的优点。

海上发射能提高火箭的运载能力。因为发射船可以驶到离赤道最近的海域甚至赤道海域进行发射，能最大限度地利用地球自转的能量，可以使航天器比较容易获得起飞所需的速度，从而节省火箭的燃料。例如，在同等条件下，在普列谢茨克发射场必须用重型运载火箭（如“质子号”）才能完成的发射任务，在赤道洋面上，只需用中型运载火箭（如“天顶号”）就能完成。

由于海上发射可以直接在赤道上进行，卫星进入地球同步轨道的理论角度为零，变轨时所需的能量大大降低，将节省下来的能量用作在轨维持能量，有利于提高卫星的在轨使用寿命。

发射能力的提高使发射成本降低。海上发射的成本比地面发射降低了20%左右。

海上发射时火箭飞行的安全性大大提高。由于火箭飞行轨道远离陆地上人口稠密地区和重要工业、军事区域，人们不必再为火箭子级坠落时可能造成的设施破坏和人员伤亡担心。另外，地面发射还受到国界的制约，其发射方向可能达不到最佳状态，而海上发射则不受这些限制，无疑提供了一条“飞天捷径”。

鉴于海上发射具有众多优越性，一个由美国、俄罗斯、乌克兰和挪威合资经营的“海上发射”公司于1995年4月正式成立，并于1999年3月28日和2001年5月8日分别成功地发射了试验卫星和“XM-1”数字广播卫星，由此开创了海上发射的先河，也翻开了航天发射历史新的一页。其发射地点选在气候条件较好、风浪相对平静的赤道洋面，位于夏威夷东南约2300千米，离基地港4800千米。其发射系统由发射平台、总装指挥船、“天顶-3SL”运载火箭和基地港组成。发射平台：原为北海油田的一座石油钻井平台，曾遭火灾，后被修复并改建成发射平台；设有火箭悬挂、运输、装配、发射系统以及燃料储备和供给系统，长约124.8米，宽约66米。总装指挥船：甲板上为发射控制设施，甲板下是运载火箭总装厂房，长约198米，宽约31.8米；它既是漂浮的火箭总装厂，也是一艘能装载科技人员的客船。“天顶-3SL”运载火箭：是一枚三级运载火箭，最大直径4.2米，全长约60米。

海上发射

发　射　窗　口

运载火箭发射航天器有一个时间范围要求，也就是说，进入太空的路径和时间是有条件限制的，这种限制就称为“发射窗口”。根据计算，飞往行星的发射窗口每隔1~2年才有一次。在“地—月”之间飞行的发射窗口周期要短得多。

选择发射窗口要考虑航天任务和外界限制条件，包括天体运行轨道条件、航天器的轨道要求和工作条件要求，以及发射方向、地面跟踪测控、气象等因素。只有选择了正确的发射窗口，才能确保火箭发射成功。

对于载人飞船的发射时间，更应严格确定。须经过大量的科学计算，才能得出最佳发射时间。对于近地轨道上运行的载人飞船，发射窗口的选择至少应考虑四个方面：一是载人飞船上的太阳能电池板能够受到充足的阳光照射；二是要满足飞船姿态测量设备的需要；三是考虑飞船返回时的条件；四是要考虑发射的气象条件。

当两艘运输船到达发射海域后，为提高稳定性，先使发射平台浮筒沉入水下约20米（用海水做压舱物），然后将火箭在发射台上竖起。在燃料加注和发射之前，所有程序完全自动进行。发射平台上的所有工作人员通过伸缩式小桥离开现场来到总装指挥船，总装指挥船随即航行到离现场5000米以外，监视发射全过程。

空　中　发　射

空中发射是指用巨型运输机作为空中发射平台，在空中把载有航天器的运载火箭抛下，运载火箭远离巨型运输机后，在空中自动点火起飞，将航天器送入预定轨道。

目前，俄罗斯与美国均已涉足这一领域。

俄罗斯“空中发射”公司用安-124巨型运输机发射轻型运载火箭的具体方案是这样的：改造后的安-124巨型运输机将携带长30米、质量为100吨的“飞行号”两级运载火箭飞至距地面11千米的高空。当飞机进入预定位置后，飞机尾部的舱门打开，形成一个斜坡，安装在机舱中的“飞行号”火箭尾部将露出舱口。随即飞机机身逐渐竖起，火箭就顺着斜坡滑出，同时飞机快速爬升。当达到76°时，机舱中的大功率推力装置把火箭推向舱口，使火箭与飞机安全脱离。为稳定火箭的飞行姿态，降落伞自动打开6秒钟。然后降落伞与火箭自动分离，一级火箭发动机启动，使“飞行号”以3.8千米/秒的速度飞向预定的轨道。

安-124巨型运输机就是一个飞翔的空中发射场，它使航天发射可以在北纬60°至南纬40°的任一高空位置进行。可供选择的火箭飞行角度范围为0°至115°。空中发射将主要在公海上空进行，所以被发射的火箭不会穿越他国领空。

空中发射采用的大多是现有设备，安全性、可靠性都比较高，只要进行一些必要的改装组合，便可满足发射要求。俄罗斯已对多架安-124巨型运输机进行了改造，并实现了首次商业空中发射。

安-124巨型运输机

美国拟定的“飞马座”方案，亦属空中发射方案。其具体发射方案是：三级“飞马座”运载火箭长15米，质量18000千克，带箭翼（可使火箭飞行平稳且能提高箭体升力），装在改装后的B-52轰炸机的机翼下，卫星则置于火箭的顶端。当B-52飞到12000米高空，飞行马赫数为0.8时，将“飞马座”运载火箭释放。当“飞马座”经过5秒钟的自由下落后，一、二、三级火箭依次被点燃。第三级火箭燃烧结束后，卫星便被送入450千米高的运行轨道中。

显然，空中发射的费用可以比地面发射省很多，仅为地面发射的1/3左右。而在有效载荷一定时，空中发射运载火箭所需的速度也可以降低10%~15%。

卫星置于“飞马座”运载火箭的顶端

地　下　发　射

地下发射有两种常见的发射方式：一是在地平面下建造发射井，运载火箭从地下发射井中被发射出去；二是在海洋深处建造发射井，运载火箭同样从该发射井中被发射出去。地下发射已在实践中得到成功应用。下面介绍两种比较新颖的方案。

方案一：20世纪90年代，日本一家公司提出利用压缩空气将置于地下深处的运载火箭发射出去。具体方案是：在地下挖一个深2000米、直径10米的竖坑，在底部发射运载火箭。发射前，先使用预藏在地下的压缩空气急速地将运载火箭推出，此时火箭的马赫数为1。当火箭升至地表面时，立即启动升空。这种发射方式的特点是，不用推进剂就能使运载火箭获得很高的初速，不仅可大大节省能源，还能减轻运载火箭的质量。在相同的推力下，这种地下发射方式可比地面发射多搭载35%的载荷。

地下发射井

为了保证运载火箭能从2000米深的竖井中冲出来，日本打算采用超导体线性电动机控制系统。

方案二：据英国《新科学家》杂志报道，英国“液压气动加速器”公司的斯科特·泰勒提出以深海的高压和压缩空气建造“海洋宇宙飞船井”来发射运载火箭。泰勒认为：在1000米以下的深海，海水的巨大压力可以为运载火箭提供必要的初始动力。具体方案是：将运载火箭置于很深的发射井的底部，而发射井几乎全部浸在海洋中。在发射井的下方有一个用阀门隔离的充满压缩空气的容器，当打开阀门时，强大的压缩空气流推动着深海的高压水流猛烈地冲入发射井内，使发射井底部的空气瞬间极度膨胀，利用这股非同寻常的膨胀力可将运载火箭推向发射井井口。经过计算，压缩空气和深海的高压水流可以使运载火箭离开井口时的速度达到1000千米/时。由于火箭已具有1000千米/时的初速，此时再将运载火箭点火，就可节省大量的燃料。如果发射井的直径为10米，深1000米，则至少可使10000吨载荷得以腾飞！

不过，上述两种方案还有很多具体技术问题需要解决，特别是在海中挖一个直径为10米、深1000米的井，要比在地面上挖同样尺寸的井难度大得多。一些专家甚至提出质疑：在深海中如此“大兴土木”是否可行？发射井中的摩擦力和空气阻力是否已充分估计？

运　载　火　箭

运载火箭是靠火箭发动机喷射气体产生反作用力向前推进的飞行器。它既可以在大气层内飞行，也能在大气层外飞行。运载火箭是由多级火箭组成的航天运载工具，其用途是把人造卫星、载人宇宙飞船、空间站或空间探测器等有效载荷送入预定轨道。整个火箭主要由箭体结构、推进系统、制导和控制系统、安全自毁系统、遥测系统等构成。运载火箭之所以要由多级火箭组成，是因为单级火箭所能达到的飞行速度，都不能超过6千米/秒，而要使火箭能将人造卫星、载人宇宙飞船等发射至相应的轨道，其速度必须达到第一宇宙速度（7.9千米/秒）。因此运载火箭均用2~4级独立推进的火箭组成，以接力方式不断加速飞向太空。

不管这两种方案能否实现，积极思考航天发射的新路子，还是很有意义的！

学习活动

1.我国将有哪四个航天发射中心？海南文昌航天发射中心的最大特点是什么？

2.航天器发射方式有哪几种？能否列举出更新的发射方式？请以书中介绍的任意一种航天器发射方式为主题写一篇科普短文。

3.什么是发射窗口？选择发射窗口要考虑哪些条件？