[科普中国]-一箭多星、固体燃料，长征十一号海射火箭和“东风31”如此相似

2019年6月5日12时06分，位于黄海海域北纬34°53′58″、东经121°11′25″的发射平台上，随着一声巨响，一束耀眼的光划破天际。一段时间后，长征十一号海射运载火箭将技术试验卫星捕风一号A、B星及五颗商业卫星总共七颗卫星顺利送入预定轨道，完成了“一箭七星”的高难度航天任务，试验取得圆满成功。这是我国首次在海上实施运载火箭发射技术试验，不仅满足了卫星不同倾角的发射需求，也促进了我国商业航天的发展。运载火箭海上发射具有灵活性强、任务适应性好、发射经济性等优点，可通过灵活选择发射点和航落区，满足各种轨道有效载荷发射需求，为“一带一路”沿线国家提供更好的航天商业发射服务。为什么选择在海上进行发射，海上发射是如何发展起来的？海上发射存在哪些技术难题？这次的长征十一号火箭与东风31型导弹有关系吗？海上发射究竟有何优势？第一，海上发射能够提高火箭的运载能力。如果选择在海上平台进行发射，我们就可以选择广袤海域中的任何一点作为我们的发射地点，机动性和灵活性很强。众所周知，选在靠近赤道附近的低纬度区域进行发射拥有很大优势。地球围绕南北两极的连线进行自转，即地球每一点的角速度相同。在角速度相同的条件下，旋转的半径越大，速度越大。更大的速度意味着能够给火箭提供更大的初始动能，进而节省火箭飞行所需的燃料并且能够使火箭拥有更大的运载能力。第二，海上发射有利于运载火箭执行特殊轨道发射任务。随着我们对通信服务需求的日益增大，特殊倾角卫星也越来越受到重视。轨道倾角是指卫星的轨道面与地球赤道面的夹角。轨道倾角越小，卫星能够掠过某地面区域上空的频率就更大。而卫星成功入轨的过程与发射地点直接挂钩，倘若发射地点有利，那么卫星入轨所需要消耗的时间就更短。所以，成功实现海上发射将为选择发射地点提供坚实的技术支撑和保障。第三，海上发射将大幅提高火箭发射的安全性。对陆基发射火箭而言，落区安全是发射任务设计中的重要因素。我们要谨慎选择发射地点，并对火箭残骸的落点进行精确计算，防止发射过程中分离的部分落入人口稠密的地区，确保发射的安全。同时，还要考虑到倘若任务失败，火箭爆炸造成的影响应尽量降到最低。而海上发射可以自由选择区域，远离人口稠密的地区，极大程度提高了发射的安全性。海上发射发展史在60年代中期，美国曾制造了圣·马可（San Marco）海上发射平台，但该平台仅能发射小型卫星，且该平台为固定平台，无法发挥海上发射的优势。目前该平台底座沉在肯尼亚海岸附近的浅海海底。1995年，美国波音公司、乌克兰南方公司、俄罗斯能源科研生产公司和挪威克韦尔纳公司组成一个海上发射公司，它们准备在地球赤道附近的海洋上建立一个与“圣马可”相类似的海上发射平台，也是由两部分组成，一部分用于发射，一部分用作控制中心。不同之处是这个平台是安装在一艘船上。这个发射平台设计有133米长，60米宽，42.5米高，重达3万多吨。支撑平台的4根大圆柱，直径就有10米以上。海上发射公司的“天顶号”运载火箭，其有效载荷运载能力为5000千克，可将载荷运送至地球同步轨道。至2008年9月，海上发射公司进行的29次发射中，有2次失败，另外还有1次部分失败。整体拥有较高的可靠性能。时至今日，海上发射技术已日趋完善。许多国家的海上发射技术都已经有了极大的进展，并衍生出一系列新技术。例如，美国太空探索技术公司（SpaceX）已经研制成功的“海上回收平台”，即“自动航天港无人船”（Autonomous Spaceport Drone Ship，ASDS），是在甲板驳船的基础上改进而来。它安装了用于维持位置的动力系统，以及大型的着陆平台，能够实现自动控制或远程遥控，在海上作为猎鹰－9（Falcon-9）火箭一子级着陆的平台，是该公司火箭重复使用计划的重要设施。SpaceX公司共有3个海上回收平台，其中2个在用，另外一个（也是最早投入使用的平台）已不再执行发射任务。在用的2个海上平台代号分别为“请阅读说明”（Just Read the Instructions）和“当然我依然爱你”（Of Course I Still Love You）。“请阅读说明”平台停靠在美国西海岸附近，在太平洋上回收从范登堡空军基地执行发射任务的猎鹰－9火箭一子级；“当然我依然爱你”平台停靠在美国东海岸附近，在大西洋上回收从卡纳维拉尔角空军基地发射的猎鹰－9火箭一子级。“海上发射”除了发射地点不一样，发射过程有啥区别？第一，海上发射的发射窗口更难把握。航天任务的进行需要考虑诸多因素，例如海上发射环境中的温度、湿度、风速等等。而海平面的气候变化可以说是极度复杂，发射的时机转瞬即逝。所以这对担任指挥的部门而言是巨大的挑战。第二，发射平台要可靠。海上发射的巨大困难就在于发射平台的研制难度大。同时，海平面起伏不定，会对发射任务造成影响。所以有相当一部分发射采用多次推进的方法，长征十一号便是使用了这种方法来尽量减小平台摇晃带来的影响。如下所示，我们能够清楚地看到，发射指令下达后，火箭的底部先进行一次剧烈的爆炸，将整体高度抬升，之后再进行点火，进行任务的下一过程。现场观看独家视频：长征十一号海射火箭升空，第三，燃料的问题。受发射窗口的影响，如何快速的填充发射燃料也是一个必须考虑的问题。火箭的燃料一般分为固体和液体两种，使用液体燃料就势必需要两艘运输船，一艘拉火箭，一艘拉燃料。相对来说，固体燃料要比液体燃料更适应海上发射。本次发射的长征十一号运载火箭就采用了固体燃料。长征十一号运载火箭与东风31号有何密切联系？其实从某种意义上说，“一箭多星”的设计其渊源很可能在于导弹的“分弹头”设计。“一箭多星”是对分弹头的一种民用延伸。此次发射任务成功后，外界纷纷猜测长征十一号是否为东风31号弹道导弹改装而来，这样的猜测不无根据，特将数据列出如下，供读者对比思考。从数据我们可以看出，长征十一号运载火箭很可能是东风31号弹道导弹的基础上进行的改良。改良的内容可能包括在东风31号弹道导弹的基础上增加了新的一级助推器，以提高其运载能力及安全性能。当今，随着商业航天的推进，发射的成本和门槛逐渐降低。同时，越来越多的军事科技正在逐步应用到商业和民用领域。借此势头，商业航天涉及到的领域不再仅仅是解决探空或卫星发射，而是逐步向深空迈进。面对浩瀚无穷的宇宙，我们的探索或许才刚刚开始。作者：朱斌 北京航空航天大学飞行器设计工程博士审稿：赵磊 北京航空航天大学宇航学院助理教授编辑：王波文章由腾讯科普“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自科普中国