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海南,中国航天新重镇  

2009-12-10 14:01:52|  分类: 航空知识 |  标签: |举报 |字号 订阅

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海南,中国航天新重镇 - 司古 - 司古的博客

司古

海南岛,完全可能成为中国航天事业的新重镇。

在长期使用内地原有的三个卫星发射中心执行多次航天发射任务后,中国已经决定在海南兴建第四座也可能是最重要的一座卫星发射中心。据报道,中国已经决定在海南文昌建设一座卫星发射中心,预计工程将会在2013年完工。建成之后,文昌卫星发射中心将取代西昌卫星发射中心,承担起地球同步轨道卫星和其他一些航天发射任务。文昌卫星发射中心占地约20平方公里,包括一个指令中心、一个火箭发射场、一座火箭装配厂房,甚至还包括一个航天科学主题公园。整个发射中心最为重要的部分——航天发射场将被修建在龙楼镇,这是距文昌40分钟车程的山区,建成后的火箭发射塔距离海岸线大约只有800米的距离。

由于当时国内外环境的原因,中国较早的太原、西昌和酒泉三个卫星发射中心均选址在较为偏远的内陆地区,火箭箭体的运输只能依赖铁路,而由于铁路隧道宽度的限制,火箭箭体的尺寸受到限制,从外观上看,中国火箭的外形较为“纤细”,这除了对箭体的结构设计提出了更为苛刻的要求,还限制了火箭推力的进一步提升,某种程度上也制约了中国的航天计划。如果浏览一下世界上主要的航天发射场,我们会发现航天发射场的场址选择颇为考究。地理位置、气候条件、交通环境、人口密度等等,都可以影响航天发射场的使用效能,但地理位置和气候条件相对而言是最为重要的。而海南在这些条件方面,可谓得天独厚:文昌卫星发射中心位置为北纬19°37′01″,东经110°44′38″,属于典型的低纬度航天发射基地,非常适合执行地球同步轨道卫星以及大型航天器的发射工作。早在1988年12月19日,中国就曾从海南发射过一枚探空火箭,这枚火箭被称为“织女”1号,这是中国科学家第一次从低纬赤道地区进行航天发射。

为什么航天发射基地以接近赤道为上?我们居住的这颗蔚蓝色的星球并非静止不动的,它在以约每天一周的速度自西向东进行自转,由于地球的球体外形,这种自转造成两极地区自转线速度最小,而赤道地区自转线速度最大,高达每小时约1050英里(1680公里),如此高的速度,完全可能被火箭所借用——这等于赋予了火箭非常难得的初速度,从这里发射的火箭,比高纬度发射的火箭更容易获得较高的飞行速度,携带载荷入轨所需要的能量也要显著少于从其他远离赤道的高纬度发射的火箭。

遗憾的是,不是每个国家的领土都有非常接近赤道的部分。人们只能尽量寻找合适的低纬度地点来建设航天发射场,美国佛罗里达州卡纳维拉尔角的肯尼迪航天中心,座落于梅里特岛上,这里北纬28.5°,东西临水,东望大西洋,发射条件非常良好。哈萨克斯坦的拜科努尔航天发射场位于北纬45.6°,俄罗斯普列谢茨克航天发射场位于北纬62.8°,从纬度上说并不十分理想。法国地处欧洲,但却在远隔万里、邻近赤道的南美北部沿海法属圭亚那拥有一座极为优越的发射场——位于北纬5.2°的库鲁发射场。

但更多的国家却没有如此优越的条件,但为了求取更好的发射地点,有些国家不惜花费巨资建立海上发射场,意大利曾与美国合作,在肯尼亚沿海建造过圣马克海上发射平台,虽然这座平台在1988年之后归于沉寂,但其优势却相当明显。1995年,美国、俄罗斯、乌克兰和挪威又联合成立海上发射公司,通过海上浮动发射平台进行航天发射,运载火箭通常在加利福尼亚长滩装船,再运上发射平台,然后平台航行至赤道附近的太平洋地区进行发射。但由于条件所限,这样的海上浮动发射平台只能承担一些较为简单的发射,更为复杂的航天发射任务还要依赖陆上发射设施。除了发射场要尽量靠近赤道,临海也是个较为有利的因素,火箭发射后大多是向东飞行,应尽可能避开人口稠密地区,以防在发生故障时发生不必要的伤亡;此外还要尽量避开其他国家的领土上方,以防火箭下面级坠入他国疆域。

地理条件有时很可能改变一个国家的航天战略。俄罗斯和加拿大等国大部分国土位于纬度较高的地区,发展地球同步卫星对其意义不大,因此前苏联和俄罗斯都比较重视高椭圆轨道卫星的发展,高椭圆轨道是一种具有较低近地点和极高远地点的椭圆轨道,其远地点高度大于地球同步卫星的高度。这种卫星在远地点附近区域运行速度较慢,到达和离开远地点的过程很长,而经过近地点的时间极短。这使得卫星对远地点下方的地面区域覆盖时间可以超过12小时。具有大倾角的高椭圆轨道卫星可以覆盖地球的极地地区,这是地球同步轨道卫星所无法做到的,只要把卫星的远地点设定在本国领土上空,就可以将其做为通讯卫星使用。

由于地理位置的优越,海南文昌卫星发射中心将带来四个“更”:更大的载荷、更少的燃料、更低的费用和更长的卫星寿命,特别在发射地球同步轨道卫星 时更是如此。有专家认为,文昌基地将使中国火箭的有效载荷增加到300公斤以上,比其他三座基地要提高7.4%。地球同步轨道卫星最大的特点是其绕地运行轨道周期和地球自转周期相同,从地面上看,卫星是静止停留在地面上某一区域上空的,特别适合作为通信卫星,但地球同步轨道卫星的圆形轨道高达约36000公里,而且必须位于赤道平面内,如此的轨道条件注定让近赤道地区成为最佳的发射地点。发射地球同步卫星通常采用一个椭圆形的中间转移轨道作为过渡。运载火箭发射后,第一级和第二级依次启动,使火箭垂直向上加速上升。到第二级火箭脱离后,转弯进入一个高度较低的圆形轨道作短暂停泊,这一轨道称为初始轨道或停泊轨道。在此轨道上运行少许时间后,第三级火箭点火,使卫星进入一个椭圆形地球同步转移轨道,该轨道所在平面与赤道平面的夹角因发射地点不同而异,纬度越高夹角越小。椭圆形地球同步转移轨道的近地点一般只有1000多公里,而远地点约为36000公里,且近地点和远地点都位于赤道平面内。进入转移轨道后,卫星与第三级火箭脱离,同时启动两侧的切向喷嘴,开始自旋。在转移轨道上绕行过程中,地面控制站要对卫星的姿态进行调整。当卫星到达转移轨道的远地点时,启动卫星上的远地点发动机,使它改变航向,进入地球赤道平面;同时加速卫星,使之达到在同步轨道上运行所需的速度。然后还需对卫星的姿态作进一步调整,才能准确地把卫星定点在赤道上空的同步轨道上。显而易见,地球同步转移轨道与赤道平面的夹角越大,卫星变轨的过程就越为复杂,耗费的燃料也就越多,若要降低转移轨道倾角,选择低纬发射场绝对是一条上策。从这里发射的地球同步卫星,由于变轨过程简单,耗费燃料少,这样卫星就能省下更多的燃料用于日后的工作,等于大幅提升了卫星的使用寿命。和西昌卫星发射中心相比,一颗从文昌卫星发射中心发射入轨的地球同步卫星,其使用寿命要比从西昌发射的同样卫星长两到三年,而这一切,都是得益于海南文昌的低纬度优势。

和酒泉(北纬40.6°)、太原(北纬37.5°)和西昌(北纬28.25°)相比,海南文昌基地除了纬度优势,还具有临海的优势。酒泉卫星发射中心占地近1100平方英里,气候条件条件也较好,一年中有近300天都可进行发射活动,但为防止火箭飞越俄罗斯和蒙古上空,其飞行轨迹必须限制在向东南方向,进入倾角57~70度的轨道。海南文昌卫星发射中心显然没有这样的掣肘。中国其他三座发射基地都位于中国西部内陆,而且还位于山区,商业发展潜力十分有限而且交通运输也相当不便。中国正在积极研制的长征5号大推力运载火箭的直径规格已经难以通过现有铁路方式运往西部发射场,而如果海南发射场落成,则可以采用海运方式运输,更为便利。从这里发射升空的火箭可以在海面上空上升到1000公里的高空,这样就可以有效防止溅落的舱段残骸坠入有人居住的地区。

无论从哪个方面讲,海南文昌都有望成为中国航天的新重镇,这里可以发射地球同步卫星、大型卫星以及空间站、深空探测卫星等,每年可以进行10到12次发射任务。这对于中国航天事业的长远发展、深空探测乃至探月和登月活动都尤为重要。文昌卫星发射中心的建成,将显著提高中国航天发射能力,增强中国参与国际商用发射的竞争力。(原文及相关图片刊载于2010-01期《航空知识》)

链接:

世界主要航天发射基地列表

序号

发射场名称

使用国

所在地

纬度

经度

1

范登堡

美国

加利福尼亚

北纬34.4°

西经120.35°

2

爱德华兹

美国

加利福尼亚

北纬35.0°

西经118.0°

3

瓦勒普斯岛

美国

弗吉尼亚

北纬37.8°

西经75.5°

4

卡纳维拉尔角

美国

佛罗里达

北纬28.5°

西经81.0°

5

库鲁

法国

法属圭亚那

北纬5.2°

西经52.8°

6

阿坎塔拉

巴西

巴西

南纬2.3°

西经44.4°

7

汉马吉尔

法国

阿尔及利亚

北纬31.0°

西经8.0°

8

托雷洪

西班牙

西班牙

北纬40.5°

西经3.5°

9

安多亚

挪威

挪威

北纬69.0°

东经16.0°

10

普列谢茨克

俄罗斯

俄罗斯

北纬62.8°

东经40.1°

11

库普斯京亚尔

俄罗斯

俄罗斯

北纬48.4°

东经45.8°

12

帕尔马欣

以色列

以色列

北纬31.5°

东经34.5°

13

圣马克

肯尼亚沿海

意大利

南纬2.9°

东经40.3°

14

拜科努尔

哈萨克斯坦

俄罗斯

北纬45.6°

东经63.4°

15

斯里哈里科塔

印度

印度

北纬13.9°

东经80.4°

16

酒泉

中国

中国

北纬40.6°

东经99.9°

17

西昌

中国

中国

北纬28.25°

东经102.0°

18

太原

中国

中国

北纬37.5°

东经112.6°

19

斯沃博德内

俄罗斯

俄罗斯

北纬51.4°

东经128.3°

20

鹿儿岛

日本

日本

北纬31.2°

东经131.1°

21

种子岛

日本

日本

北纬30.4°

东经131.0°

22

武麦拉

澳大利亚

澳大利亚

南纬31.1°

东经136.8°

 

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