[科普中国]-航天器发射场

基本概念

随着卫星、飞船的不断升空，月球、火星探测的不断升温，世界各大航天发射场也不断出现在人们的视线中。航天发射场是为保障航天运载火箭的装配、发射前准备、发射、弹道测量、发送指令以及接收和处理遥测信息而专门建造的一整套地面设备、设施和建筑，是一个国家航天能力的重要组成部分。世界上早期的航天发射场基本上都是由导弹靶场演变而来的。1

发射场场址的选择有着十分复杂的综合性要求，其既要在雷雨少、湿度小、风速低、温差变化不大的地方， 又要有丰富的水源，并且应在尽量靠近赤道的低纬度地区；既要有方便的交通条件，但又应远离人口稠密的地区，从而缩小出现发射失败所造成的地面损失；大部分发射场的发射方向都是朝东的，这主要是为了利用地球的自转角速度，节约火箭能量。1

随着航天事业的飞速发展，卫星发射需求日益增加，一些国家开始在第一批发射场使用经验的基础上，建设更加完善的航天发射工位和发射场，专供发射各种卫星、空间站、载人飞船及航天飞机等使用，同时，停用某些条件有限、任务不足的发射场；一些国家根据本国航天发展的需要，也兴建了一批现代化的航天发射场。1

组成通常由测试区、发射区、发射指挥控制中心、综合测量设施、各勤务保障设施和一些管理服务部门组成。某些航天器发射场还包括助推火箭或运载火箭的第一级工作完成后的坠落区和再入航天器（如航天飞机的轨道器）或回收舱的着陆（溅落）区。

航天器发射场的全部设备分为专用技术设备和通用技术设备。

（1）专用技术设备包括：运输设备、起重装卸设备、装配对接设备、地面供电设备、地面检测和发射用电气设备、自动控制设备、推进剂贮存和加注设备、废气和废液处理设备、发射勤务设备、遥控和监控设备、测量和数据处理设备。

（2）通用技术设备有：动力、通信、气象、计量、给排水、供气、消防、修理等设备。固体火箭的航天器发射场设有专门的固体火箭装配厂房及其辅助设施。航天飞机发射场，还设有轨道器返回着陆设施（如跑道和其他着陆设施），设有轨道器检修、装卸载荷、有毒燃料处理等设施和设备，以便修整后重复使用。

综合测量设施

监测运载火箭和航天器各系统工作状况的多功能综合设施，包括:计算中心、航区测控站和测量船。测控站、测量船布设在运载火箭和航天器飞行航区的沿线，装备有测量设备、时间统一勤务设备、通信和电视设备、信息处理设备和遥控设备以及相应的辅助设备。测量设备有无线电遥测接收设备、无线电弹道测量设备、光学（激光、红外）测量设备等。测量站对获得的运载火箭和航天器弹道参数、遥测信息、电视图像进行处理、显示和记录，同时传送给计算机中心和发射指挥控制中心处理、显示、判断，然后发送到航天控制中心。

勤务保障设施和管理服务部门

包括：各种推进剂、低温液体和润滑材料贮存库，生产液氧、液氦和液氢的工厂，通信设施，气象保障设施，供电、供水设施，大地测量部门，行政管理部门，后勤保障部门等。这些勤务保障、管理服务设施和居住区通常建在离发射区较远的地方。

选址条件航天发射场场址的选择是发射场规划建设的基础和先决条件，其选择是否正确得当、科学合理，直接关系到发射场规划建设与投资、发射试验能力、技术与经济效益和可持续发展能力等各项重要技术指标。2

航天器发射场的位置根据航天器发射试验技术的特点和安全要求选定。运载火箭发动机所用的推进剂多有毒性，易燃和易爆，火箭发动机点火后喷出的有害气体会污染周围的环境，助推火箭或运载火箭的第一级在完成工作后坠落地面，或因故障和失误造成发射失败，都会对地面生命财产构成严重威胁。因此，通常把航天器发射场选在人口稀少，地势平坦，视野开阔，地质、水源、气候和气象条件适宜的内陆沙漠、草原或海滨地区，也有建在山区或岛屿上的。地球自转的影响也是选址的考虑因素。特别是发射地球静止卫星或小倾角轨道航天器的发射场，宜选建在地球赤道附近或低纬度地区。这样的地区比较容易获得小倾角轨道，能减少远地点变轨所需要的能量，缩短从发射点到入轨点的航程。法国圭亚那航天中心就是根据这一考虑选址的。

任何一个航天发射场场址的选择，主要都是以航天器、运载火箭的发射使用需求作为选址建设的出发点和基础的。因此，航天器和运载火箭的发射使用要求与需求分析是发射场场址选择应遵循的最基本原则，主要包括9 个方面：①航天发射任务的性质与任务类型；②航天器与运载火箭类型，结构尺寸、质量与运输要求；③使用的推进剂类型、种类与加注要求；④发射飞行轨道与射向范围要求；⑤发射周期与年发射能力要求；⑥气象与环境条件要求；⑦地面技术支持与保障要求；⑧发射控制与首区、航区、残骸落区安全要求；⑨测量控制与通信要求。2

十大发射场（1）肯尼迪航天中心

美国最大的载人航天基地，成立于1962年7月，位于美国佛罗里达州卡纳维拉尔角。其优势是发射场纬度较低，向东发射火箭，可借助地球自转来提高火箭的运载能力，有助于卫星入轨；附近的海岛还可用作理想的跟踪测量站站址；发射方向面临大海，没有人口密集的忧虑，飞行中的火箭万一出现故障，也不会造成严重的安全问题。肯尼迪航天中心是美国宇航局进行载人与不载人航天器测试、准备和实施发射的最重要场所，从这里进行的航天器发射任务，包括了美国所有向地球同步轨道的发射任务，发射过“阿波罗” 飞船、“天空” 实验室、不载人行星和行星际探测器以及科学、气象、通信卫星等。1

（2）西部航天和导弹试验中心

成立于1964年5月，曾是空军试验靶场，1979年10月改为现名，是美国最重要的军用航天发射基地，主要用于战略导弹、武器系统试验和各种军用卫星、极轨卫星的发射。其位于美国西部洛杉矶北面的西海岸，占地近400平方千米，场区全为起伏的丘陵。它有跨越太平洋直达夸贾林岛区的8000千米航线，以及十分完善的落点定位系统，主要用于战略导弹武器试验、武器系统作战试验和发射各种军用卫星、极地卫星等。1

（3）拜科努尔发射地

建于1955年，位于哈萨克斯坦拜克努尔市西南288千米处。俄罗斯从1994年开始租赁该发射场，预计租赁期限截止到2050年，是俄罗斯最大的航天器和导弹发射试验基地，其规模相当于美国的肯尼迪航天中心。拜科努尔发射场的主要任务是发射载人飞船、卫星、月球探测器和行星探测器，进行各种导弹和运载火箭的飞行试验。另外，这里还进行拦截卫星和部分轨道轰炸系统的试验。在此发射了世界第一颗人造卫星及其它行星探测器，还发射了“东方” 号、“上升” 号、“联盟”号等载人飞船和“礼炮” 号空间站及“能源-暴风雪” 号航天飞机。1

（4）普列谢茨克基地

建于1957年，位于俄罗斯白海以南300千米的阿尔汉格尔斯克地区。其早期是洲际导弹的作战基地，从1966年起才使用4种火箭和9座发射台来发射大倾角的侦察、电子情报、导弹预警、通信、气象和雷达校准卫星，其中2/3为军用，是目前世界上发射卫星最多的发射场，发射的次数占世界发射总数的一半以上。1

（5）酒泉卫星发射中心

始建于1958年，是我国创建最早、规模最大的综合型导弹、卫星发射中心，也是我国目前唯一的载人航天发射场，位于甘肃省酒泉以北的戈壁滩上。主要利用“长征” 系列火箭发射大倾角、中低轨道的各种试验卫星和应用卫星。这里成功地发射了我国制造的第一枚地地导弹，第一次导弹核武器试验，并于1970年4月24日，将“东方红一号” 送入地球轨道，继苏、美、法、日之后，成为世界上第五个拥有独立上天能力的国家。1999年，“神舟” 试验飞船从这里发射升空，拉开了我国载人航天工程的序幕，中国也继苏、美之后，进入世界载人太空三强国。1

（6）西昌卫星发射中心

始建于1970年，位于我国四川省西昌市，主要用于发射地球同步轨道卫星，可发射多种新型、大吨位卫星和5种新型、大推力火箭，年发射能力为10~12次。现拥有自成体系、配套完善的测试发射、测量控制、通信、气象和勤务保障等5 大系统。发射中心自组建以来，先后成功进行了“亚洲一号”、“澳星”、“风云二号” 等50多次国内外卫星的发射。1

（7）种子岛航天中心

位于九州南端的种子岛，是日本应用卫星发射基地，由日本宇宙航空研究开发机构管理。为满足不同型号火箭的发射需要，自1966年开始相继建造了竹崎、大崎和吉信三个航天发射场。竹崎发射场是专为发射小型火箭建造的，是继鹿儿岛发射场之后在种子岛建设的第一个发射场，于1969年建成投入使用。大崎发射场主要用来发射“N-1”、“N-2” 和“H-1” 液体火箭，于1975年建成投入使用。吉信发射场是为满足新一代大型运载火箭“H-2”的发射需要，于1986年在大崎发射场东北方向约1千米处新建的，日本大多数试验卫星和应用卫星都在此发射，是日本最大的航天发射场，也是世界上主要的航天器发射场之一。1

（8）库鲁发射场

位于南美州北部法属圭亚那中部的库鲁地区，于1971年建成，是目前法国唯一的航天发射场，也是欧空局（ESA）开展航天活动的主要场所。由于发射场的纬度低，相同发射方位角的轨道倾角小，因而远地点变轨所需要的能量小，可以相应地增加向地球同步轨道上发射有效载荷的重量。曾有专家做过计算，就同一种运载火箭而言，在库鲁发射比在拜科努尔发射的运载量可高70%，在库鲁发射场发射同等重量的有效载荷要比在美国肯尼迪角发射场发射时远地点发动机能量节省约20%，库鲁发射场被公认为世界最佳的火箭发射地点。库鲁发射场以发射“阿丽亚娜” 运载火箭而闻名，迄今该系列火箭发射成功率已达90%以上，发射场主要用于科学卫星、应用卫星等各类空间飞行器的测试发射等，是世界上承揽商业航天发射最多的发射中心，近200枚运载火箭从这里点火升空，已将250余颗不同型号的卫星送入太空。1

（9）圣马科发射场

位于非洲东部，距肯尼亚福莫萨湾海岸约5千米的海上，由罗马大学航空与航天研究中心筹建并管理使用，是世界上最早的海上发射场。发射场由2个海上平台组成，一个用作发射台，另一个用作发射控制指挥所。这里比库鲁发射场更靠近赤道，发射赤道轨道卫星，卫星无需作大的轨道修正。1967年4月，该发射场投入使用，用美国的“侦察兵” 运载火箭发射卫星。海上发射场与陆上发射场不同，发射台的台柱完全固定在汪洋大海的大陆架上，台面露出水面，类似海上石油钻井平台，卫星和火箭通过大型舰船运输，再安装在发射架上实施发射。1

（10）斯里哈里科塔发射场

印度的导弹试验和卫星发射场，位于印度南部东海岸的斯里哈里科塔岛，1979年正式投入使用。1980年7月18日，印度用自制的火箭成功发射人造卫星，成为世界上第7个自行发射卫星的国家。发射场拥有发射各种卫星的大型运载火箭的试验、组装和发射设施，拥有跟踪、测量各种卫星的测控站。印度空间研究组织还在此建设了固体推进器工厂，为大型运载火箭生产固体发动机。经过近40年的建设，该中心已成为印度最大的航天城和航天器发射中心，实现了印度近年来运载火箭技术上的一次次飞跃，印度卫星运载火箭、极地轨道运载火箭和地球同步轨道运载火箭都从这里点火升空。1

新一代航天发射场建设发展探讨航天器发射是一个系统工程，涉及运载火箭、有效载荷、发射场、测控、通信、气象等多个系统。总体上航天运载技术向着大型化和小型化两极发展，系统结构上向标准化、通用化、模块化方向发展；从资源利用和经济效益上考虑，向着无毒、低污染、低成本、更加安全可靠方向发展，一些新概念推进技术（如天梯、磁悬浮、激光推进）也在研究之中。这些技术的发展对航天发射场测试发射技术发展提出了新的要求。3

国内发射场建设发展动态20世纪50年代以来，我国的航天事业快速发展，取得了一系列成就，载人航天取得阶段性突破，绕月探测工程圆满成功；空间应用体系初步形成，应用领域进一步拓宽，应用效益显著提高。

1996年10月至2008年6月，“长征” 系列运载火箭连续65 次发射成功，新型运载火箭多项关键技术取得重要突破。三大航天发射场建设取得新的进展，综合试验和发射能力得到进一步提高。酒泉卫星发射中心率先采用了新的一体化地面测试发射系统。该系统是采用前后端分布的格局，由发控、测控、数传网络、无线遥测数据处理、地面电源、地面电缆网、产品等效器、应用软件等部分组成。配置了以VXI总线技术为主研制的智能一体化火箭产品等效器，实现了硬件、软件产品的“模块化、通用化、系列化” 。只要用一套一体化的测试发射控制系统就能完成对箭上控制系统、遥测系统、外测安全系统和动力电磁阀的测试控制及点火发射，改变了原来要有好几套测试设备的情况，同时又具备紧急情况下应急控制的能力。3

自2004年开始，西昌卫星发射中心开始CZ-3A系列火箭远距离测试发射系统建设，系统由技术区后端设备和发射区前端设备构成，应用了新的网络交换、信息采集与处理、自动控制技术，能够实现远距离测试发控，极大地提高发射场测试设备的“三化”水平，发射场安全性、工作效率和资源利用率均得到了提高。可以看出国内发射场正朝一体化方向发展。3

国外航天发射场建设现状及发展（1）发射场址尽量选择低纬沿海地区，建有多个发射工位。国外发射场尽量选择低纬度沿海地区，以提高运载火箭的运载能力，并使火箭航区和残骸远离人口稠密地区，如库鲁发射场位于北纬5°14′低纬地区。发射场建有多个发射工位，可满足不同发射试验需求，肯尼迪航天中心共有14个发射区，拜科努尔发射场也有15个发射塔架等。3

（2）发射场多元化管理体制并存、商业化运作增强。国外发射场最初大多采用军事化管理，随着世界经济一体化的发展、各国航天应用需求的扩大及航天商业发射市场的形成和发展，发射场管理体制逐渐走向军事、民用和商业化管理模式并存的格局。如俄罗斯拜科努尔发射场由航天局和航天兵部队共同管理，国内发射场则由航天兵部队管理。美国则是军方航天发射场和商业航天发射场并存。欧洲的航天发射场在各国政府的支持下采用商业运营体制。目前，世界上还出现了完全商业化的发射设施，例如美国、俄罗斯、乌克兰和挪威4国公司联合参股的海上发射公司。3

（3）发射场建设呈现国际合作趋势。航天事业是一项高投入、高风险的事业，在航天领域开展大范围、宽领域、多层次的国际合作，能够更好地发挥合作各方的优势，达到优势互补、资源共享的效果。美国、俄罗斯、乌克兰和挪威4国联合组建的海上发射公司，自1999年以来，已成功发射十余次。国际发射服务公司由美国和俄罗斯组成，客户可以选择“质子”号火箭或“宇宙神”火箭分别在拜科努尔或卡拉维尔角发射卫星。2003年10月21日，乌克兰与巴西签署了一项长期航天合作协议。双方将利用乌克兰的“旋风-4”型火箭在巴西阿尔坎塔拉发射场提供商业卫星发射服务。3

（4）从改造与新建两方面推进发射场现代化。近年来，为适应有效载荷尤其是商业有效载荷的发射需求，同时也为配合新型运载火箭的研制发展，世界主要航天大国掀起了新建和改建航天发射设施的热潮。俄罗斯为了解决国内发射场只能发射轻型和中型运载火箭，而没有大型运载火箭发射设施的问题，目前正在普列谢茨克和斯沃博德发射场内各建一个“安加拉”大型运载火箭发射工位。1999年10月，洛克希德· 马丁公司炸毁了原41号发射台的钢结构活动勤务塔和钢结构脐带塔，以便于建造新的发射设施，适应发射可靠性更高的“宇宙神5”系列运载火箭。3

（5）整体组装、测试、转运与远距离测发控已成为主流。目前，国际上主要采取“两平两垂” 、“一平两垂” 、“三垂” 、“三平”4种测试发射模式。对运载火箭、航天器的测试发射控制，主要有近距离测发控（测试、发射、控制）、远距离测发控两种模式。从目前的情况来看，远距离测试发射控制和整体组装、整体测试、整体运输模式已成为航天发射场的技术发展趋势。3

（6）强化技术区、简化发射区。目前，各国航天发射场大都采取整体组装、整体测试、整体运输的测试发射模式，对航天运载器进行的组装、准备和测试一般都集中在技术准备区进行，改变了在发射场上对航天器、运载器进行分级安装的做法。技术区采用多工序并行作业，运载火箭、助推器、有效载荷分别在不同的厂房进行组装测试。发射区一般只做推进剂加注和射前检查等工作，极大地减少了发射区工作量，提高了发射区利用率。

美国“阿里安5”在发射工位停留、准备的时间为7-9h，日本H-2A火箭在发射工位停留的时间为1d 。前苏联由于采取“三平”方式，所以总装好的运载火箭运到发射区后一般需要停留3d 。第一天起竖、测试，第二天休息，第三天加注发射。在任务紧急的情况下也可当日发射，即把3d 的工作内容在14h内完成。3

（7）发射场设施设备向通用化方向发展、采用自动测试发射技术。美国、俄罗斯、日本的发射场采用了部分操作自动化技术，如加注管路自动对接、自动加注等，其中俄罗斯自动发射技术水平最高。由于俄罗斯的发射区功能相对单一，为火箭的自动发射提供了条件。

目前，由澳大利亚和俄罗斯合作经营的亚太航天中心“曙光女神号”发射系统正在建设之中，其发射设施具有较高的自动化程度。火箭一上发射台，就起竖并对接上连接器，随后与勤务塔和脐带塔连接，经过2-3d的自动化检查和测试后撤离人员，开始自动进行加注并由控制区进行监控。发射过程的工作也依托自动化测试发控系统实施程序自动控制。3