在海上和陆上发射运载火箭,到底有什么不一样?
2019-06-05 19:29

在海上和陆上发射运载火箭,到底有什么不一样?

Photo by SpaceX on Unsplash,本文来自微信公众号:小火箭(ID:ixiaohuojian),作者:邢强博士


本文,小火箭要与大家一起探讨的,是运载火箭的海上发射技术。


共探讨4个问题:


第一:海上发射运载火箭有哪些优势?

第二:海上发射运载火箭需要怎样的平台?

第三:海上发射运载火箭的设计案例;

第四:畅想海上发射的未来。


优势


基于海上发射平台的运载火箭发射相对于传统的陆上发射有以下5个优势:



第一:利用海上平台将运载火箭运到赤道附近发射能够最大限度地利用地球自转的力量增加火箭的运载能力。


要知道,地球在赤道上拥有最大的自转线速度,高达465.1米/秒。



这是海上发射公司的一次发射活动的地面轨迹。可见,火箭是从赤道的位置发射的,一路向东,最大限度地利用了地球的自转。利用这样的自转,可以让体型较小的运载火箭完成同样的运载任务。


(起飞重量甚至能减少28%。)



第二:在发射轨道倾角为0°的同步轨道卫星时,在赤道附近海域发射可以避免卫星向0°倾角的地球同步轨道转移的轨道平面变化。火箭的运载能力和卫星的在轨寿命能够得到显著提升 。


仅从轨道倾角方面考虑,同样的火箭,如果从赤道海域发射,可以比从北纬28.5°的卡纳维拉尔角发射的载荷增加18%左右。



第三:海上发射能够远离人口稠密地区,有助于减少火箭发射对人的不利影响,降低火箭出现故障后的附加危害风险。这样有助于降低投保费用。



第四:海上发射,尤其是在广袤的公海上的发射,与民航飞机的航线和其他船舶航线的冲突较少,对于清除空域的要求较低,甚至可以通过海上机动来自主选择与世无争的发射位置。



第五:在海上发射,运载火箭的一级和二级落区可全部在公海上,不必为躲避居民区而限制火箭的发射方位角,因此可以实现任意轨道倾角的发射,这个优势是陆地发射难以企及的。


一艘海上发射平台的可用发射方位角相当于美国卡纳维拉尔角发射基地与范登堡空军基地两个发射场的总和。



上图为美国东西海岸的主要运载火箭发射场与主要射向示意图。射向扇面用灯光来表示。小火箭摄于某国家航空航天博物馆。


小火箭在本文以迄今为止世界上唯一能够提供此类服务的海上发射公司为例,讲述海上发射系统的平台和火箭。


实际上,中国航天科技集团公司已表明,我国在开展海上发射试验后,计划从2018年开始推出面向商业市场的海上发射服务。这是后话了,小火箭非常期待。


公司


1995年4月 , 美国波音公司商业空间分公司 、俄罗斯能源火箭公司 、乌克兰南方设计局 , 以及挪威克瓦纳集团这4个大集团联手,组建了海上发射公司。


这4个集团每一个都不简单。


波音就不用提了,最大的航空航天飞行器制造商,全球第二大军火集团。





俄罗斯能源火箭公司,是联盟系列运载火箭、N-1运载火箭、礼炮号空间站的缔造者。



乌克兰南方设计局,1954年由苏联一家汽车厂改造而成,在导弹设计大师杨格尔的带领下,研制出了苏联第一款量产型核导弹R-12。


该导弹共生产了2335枚之多,从1959年一直服役到1993年!


噢,差点儿忘了提,R-12弹道导弹是古巴导弹危机的主角。



杨格尔去世后,另一位导弹设计大师乌特金接替他执掌南方设计局。不久,当年世界上威力最大的洲际弹道导弹撒旦诞生。


该导弹可携带10枚75万吨TNT当量的分导式核弹头或者1枚2500万吨TNT当量的热核弹头。



冷战结束,撒旦导弹失去了战场。另外,美俄削减战略武器条约开始生效,撒旦导弹被要求全部退出现役。


本着不暴殄天物的原则,南方设计局将撒旦导弹改造为运载火箭(世界上仅有的从战略核导弹地下发射井中发射的运载火箭),名为第聂伯。


从此,南方设计局拿着这款世界上最大的洲际弹道导弹开始进军国际商业发射市场。





挪威克瓦纳集团是欧洲最大的海上钻井平台和船舶制造公司。




1995年,来自美国、俄罗斯、乌克兰和挪威的四大集团共同出资,共同出技术,在开曼群岛注册成立了世界上第一家能够持续提供海上发射业务的公司。


美国波音出资40%,提供系统整合与总体优化和卫星平台技术;


俄罗斯能源火箭出资25%,提供天顶运载火箭第三级的技术;


乌克兰南方设计局出资15%,提供天顶运载火箭第一级和第二级的技术;


挪威克瓦纳集团出资20%,提供发射平台和指挥控制船舶的技术。


1999年3月,海上发射公司成功发射了第一枚运载火箭。


2000年的时候,波音收购了休斯公司的空间与通讯业务。这下子,海上发射公司厉害了。









2000年,波音公司收购了休斯公司。休斯公司引以为傲的航空航天实验室被波音、通用汽车和雷神这三巨头所瓜分。


这家由传奇的飞机设计大师、亿万富翁霍华德·休斯一手创建的充满航空航天情怀的公司就这样没了。留给世人的,是休斯发明的衬垫胸罩、带钢圈上托聚拢型胸罩、创造世界纪录的H-4云杉鹅水上飞机、世界上最早的地球同步轨道卫星、AIM-4空空导弹、AIM-120空空导弹和阿帕奇武装直升机。世界上第一台实用激光器、早期的离子发动机也出自休斯公司。


在上世纪80年代之前,世界上80%的通信卫星都是休斯公司生产的。即使是到2000年休斯公司不复存在之时,休斯公司研制的通信卫星在地球轨道上也依然占据了40%的份额。


由四大集团组成的海上发射公司,包揽了从卫星平台到运载火箭再到船舶这三大领域的技术巅峰。


波音收购的休斯空间与通讯公司的知名产品包括:


1963年发射的世界上第一颗地球同步轨道卫星,


1966年发射的世界上第一颗地球同步轨道气象卫星,


1966年发射的探索者一号月球着陆器,


1978年发射的先锋号金星探测器,


1989年发射的伽利略号木星探测器。


休斯空间与通讯公司还制造了大量的军用和民用卫星。2000年的时候,40%的通信卫星是这一家研制的。


俄罗斯能源火箭公司和乌克兰南方设计局则是苏联运载火箭与洲际弹道导弹技术的嫡传后裔。


挪威克瓦纳集团则代表了当时欧洲最高的造船技术水平。



平台



这就是海上发射公司用于发射运载火箭的海洋奥德赛号。



这座平台一开始其实不是为了海上发射专门设计的,而是日本住友重机械工业株式会社在1983年建成的海上移动石油勘探和钻井平台。


该钻井平台被美国船级社认定为+A1 +AMS级。



这个120米长,69米宽,拥有1.245万马力动力的自航半潜式平台被认定的这个级别,并且拥有这样的设计,意味着什么呢?


意味着强悍的海上稳定能力。该钻井平台能够同时应对100节的风速+110英尺的浪高和3节的暗流。



翻译成咱们常见的单位,100节的风速也就是190公里/小时,也就是54米/秒的风速。


要知道,12级台风的风速为37米/秒。54米/秒的风速,按风级对应为17级超强台风(四级飓风)。


110英尺的浪高相当于33.5米。


原本设计用来在阿拉斯加海域的惊涛骇浪和刺骨寒风中独立钻探的平台拥有比较完备的环境控制系统和完全封闭的生活区(支持68人长期居住)


平台甚至对钻头都可进行温控。在-35℃的环境中,平台可以藐视一般的风浪,进行持续作业。


海上发射公司成立后,波音和挪威克瓦纳几乎同时看中了这个平台。巨大的抗风浪能力、充足的电力供应、完备的环境控制系统,这简直是为运载火箭的海上发射活动量身打造的。


用克瓦纳的工程师的话说,就是:即使是从头设计,从零开始建造,我们最后能够拿出来的平台最多也就是这个样子了。





上世纪90年代,海洋奥德赛号钻井平台被拖到克瓦纳集团的维堡造船厂进行升级改造。


维堡这个地名,熟悉第二次世界大战历史的好友或许一下子就认出来了。这座在圣彼得堡西北方113公里处的港口城市,历史上曾多次易主。


1940年,冬季战争之后,芬兰将这座堡垒港湾割让给了苏联。





1997年5月,焕然一新的奥德赛号下水。


挪威克瓦纳集团的工程师把她打造成了一个海上发射平台。他们延长了平台,增加了火箭发射场的设备。


现在的奥德赛号的参数:


长132.91米,宽67.02米,最大吃水深度34.51米。空载排水量2.7万吨,满载排水量4.59万吨。





8台罗罗公司的卑尔根KVG/B-12发动机给奥德赛提供了强大的动力。


这样的发动机,单台功率就高达1550马力!




在准备发射火箭的时候,奥德赛平台会进入半潜状态,以进一步增强稳定性。


这个能够抵抗17级大风和34米巨浪的平台,是能够在赤道海域的风浪中淡定从容地工作并经受住火箭发射时的巨大喷流的。



平台的续航能力如何?


上图这张照片证明,奥德赛的续航能力还是不错的。


因为这既不是赤道附近也不是挪威或者俄罗斯的港口,而是加拿大不列颠哥伦比亚省西南部首府地区的埃斯奎莫尔特乡的港口。


值得一提的是,加拿大皇家海军太平洋舰队的司令部就在这个港口附近。


火箭



说完了由挪威克瓦纳集团改造的奥德赛海上发射平台,再来说说运载火箭本身吧!


是不是很眼熟?



苏联在1970年代开始了一个野心勃勃的大型运载火箭系列计划,准备以同一款大推力火箭发动机为基础,发展多种发动机型号和运载火箭型号。这个计划进行地比较顺利。实际上,天顶号火箭是苏联解体前发展出来的技术含量最高的一款火箭。上图为正由轨道运载器运到发射台的一枚天顶号火箭。注意,火箭尾部的四个大喷管属于同一台发动机。



负责这个火箭项目的设计局值得一说。天顶号是由导弹设计大师米哈伊尔·库兹米奇·杨格尔牵头成立的南方设计局的项目。虽然该设计局(苏联内部代号586设计局,或者按某些地方的习惯,叫做586所)在接手天顶号火箭项目的时候,所长杨格尔已经去世5年了,但是他的副手完全有能力把设计局撑起来。



这个人便是杨格尔的学生、副手:弗拉基米尔·乌特金。他是包括SS-18撒旦洲际弹道导弹在内的多款导弹的总设计师。其脱密后,被后人尊为苏联导弹“教父”。


乌特金提出了天顶号火箭的最大技术特点:


火箭具有环境友好性,且具备超强的载荷能力,还要让发射工序实现完全无人化。


火箭被机械装置自动吊装在发射台上并连上地面控制管线,其后在发射准备、点火或因发射任务取消而须从发射台上撤下时都不需要进行手动操作,从而大大减少了因发射事故导致人员伤亡的可能性。


此外,天顶号的发射台不包含任何在发射时有可能被烧毁的设备,因此在发射完成5小时之后,就可以再次进行发射。


1985年4月13日,第一枚天顶号运载火箭从拜科努尔航天发射场发射,虽然没有把模拟的有效载荷送入轨道,但是RD-171发动机工作正常。问题出在第二级的RD-120发动机上。



1987年5月15日,苏联发射了第一枚能源号运载火箭。然而,到了1988年11月15日,随着能源号的最后一次发射,所有的大型航天项目都面临着被终结的命运。


到了上世纪90年代初,这个红色帝国倒下的时候,RD-170系列也终于和苏联的火箭暂时告别了。



但是,那时候,RD-170发动机已经成功进行了618次发射,在累计69579秒的燃烧时间内,她证明了自己的可靠性。并且一次又一次地展示了世界上推力最大的液体火箭发动机的魅力。


后来,美国、俄罗斯、乌克兰和挪威的四大集团共同投资的海上发射公司成立了。天顶号火箭带着RD-170发动机一起,获得了新生。注意,上图的天顶号火箭的第一级的四个喷口,出自同一台RD-171发动机(RD-170发动机的伺服机构增强版本。)


这枚起飞重量达465.8吨的火箭由1台发动机托起。另外注意,带有浓厚的乌特金设计风格的火箭发射装置。


RD-171液氧煤油火箭发动机




天顶号运载火箭长58.653米,直径3.91米,发射质量465.8吨。


制表:邢强天顶-3SL
长度58.653米
直径3.91米
发射质量465.8吨
级数3
近地轨道能力13.51吨
中轨道能力5.71吨
地球同步转移轨道6.06吨
地球静止轨道3.608吨


哈!看到近地轨道运载能力13.51吨这个参数,眼熟吧!


是的,咱们的长征7号运载火箭的近地轨道运载能力同样为13.51吨左右。


但是,设计得已经足够优化的长征7号运载火箭的发射质量为597吨。拥有相近的运载能力,但是长征7号火箭足足比天顶号运载火箭重了131.2吨(也就是重了28.17%)


本文第一章讲述海上发射五大优势的时候,在第一条已经指出了28%这个数据。


同为比较优秀的两款运载火箭,一款代表苏联时代的最高设计水平,一款是即将在今后承担我国80%的发射任务的主力军,为何起飞质量差这么多?


实际上,这体现了海上发射的优势。咱们的长征7号运载火箭如果在赤道海域发射的话,运载能力将会远超天顶号运载火箭。等着瞧吧!



天顶-3运载火箭的第一级与天顶-2运载火箭通用。注意上图的第一级火箭箭体上的大大的海上发射公司的名字:sea launch。


天顶号运载火箭量产起来还是蛮有感觉的。


制表:邢强天顶火箭第一级
长度32.91米
直径3.91米
空重27.563吨
发射质量354.352吨
氧化剂液氧
燃料煤油
氧化剂质量236.567吨
燃料质量90.219吨


天顶号运载火箭的第二级。注意带有浓郁苏联风格的桁架结构级间段。


我们在联盟火箭和某些国家的洲际弹道导弹上能够看到类似的结构。


制表:邢强天顶火箭第二级
长度10.42米
直径3.91米
空重9.017吨
发射质量90.757吨
氧化剂液氧
燃料煤油
氧化剂质量58.909吨
燃料质量22.831吨


天顶号运载火箭从奥德赛号海上发射平台发射时的场景。



那么,问题来了。


海上发射的成功率到底如何呢?


小火箭统计了1999年3月至今的海上发射公司所有的发射活动,凡36次,其中32次成功,1次部分成功,3次失败,成功率为88.89%,按最终入轨成功率来说,为91.67%。


(就是把部分成功那次算成功了)


对于一款商业货运运载火箭来说,算是中规中矩。


制表:邢强载荷质量结果
1999年3月27日4.5 吨成功
1999年10月9日3.5 吨成功
2000年3月12日2.7 吨失败
2000年7月28日3.7 吨成功
2000年10月20日5.1 吨成功
2001年3月18日4.7 吨成功
2001年5月8日4.7 吨成功
2002年6月15日4.9 吨成功
2003年6月10日5.2 吨成功
2003年8月7日4.7 吨成功
2003年9月30日4.1 吨成功
2004年1月10日4.7 吨成功
2004年5月4日5.5 吨成功
2004年6月28日4.8 吨部分成功
2005年3月1日4.7 吨成功
2005年4月26日6.0 吨成功
2005年6月23日5.5 吨成功
2005年11月8日6.0 吨成功
2006年2月15日4.3 吨成功
2006年4月12日4.4 吨成功
2006年6月18日5.1 吨成功
2006年8月22日4.9 吨成功
2006年10月30日4.7 吨成功
2007年1月30日5.9 吨失败
2008年1月15日5.2 吨成功
2008年3月19日5.9 吨成功
2008年5月21日4.6 吨成功
2008年7月16日5.5 吨成功
2008年9月24日4.7 吨成功
2009年4月20日3.0 吨成功
2011年9月24日4.6 吨成功
2012年5月31日5.6 吨成功
2012年8月19日6.0 吨成功
2012年12月3日5.2 吨成功
2013年2月1日6.2 吨失败
2014年5月26日6.0 吨成功

小火箭注:2004年6月28日的那次部分成功,是海上发射公司发射亚太5号通信卫星时,火箭推力稍有不足,未能将卫星送入预定轨道,但后来卫星凭借自己的力量还是成功入轨。该卫星目前依然在轨道上正常工作,并预计将工作到2018年。


大船



实际上,整套海上发射系统不仅有发射平台和运载火箭,还需要一艘指挥控制船(该船平时还作为贮存和运输运载火箭之用)



指挥舰、发射平台与运载火箭三个子系统构成了整套海上发射系统。


这艘名为“海上指挥者”的大船是挪威克瓦纳集团研制的。



海洋指挥者号在克瓦纳集团的苏格兰格拉斯哥造船厂建造。


说起格拉斯哥,可是大船的摇篮了,甚至可以说是工业革命的圣地。全世界工程师都应该知晓这个地方。




公元1736年,一个叫詹姆斯·瓦特的人诞生在苏格兰格拉斯哥的郊区小镇。


对,就是那个后来大幅改进了蒸汽机的瓦特。


他后来没有离开故乡,而是就近在格拉斯哥成立了公司,卖出了1166台蒸汽机。



在维多利亚时代,成为蒸汽机的诞生地的格拉斯哥有多厉害?


当时全世界性能强劲的蒸汽机和船舶大多产自格拉斯哥。该城市是继伦敦和巴黎之后,第3个人口超过100万的欧洲城市,被誉为大英帝国第二城。


直到今天,格拉斯哥依然是英国造船业的核心城市。英国皇家海军的大量军舰就诞生在这里,就不展开说了。




1997年在格拉斯哥下水的海洋指挥者号,长203米,宽32米,吃水8米,满载排水量3万吨,续航能力3.3万公里。




天顶号运载火箭是从船屁股这里登船的。



在长途运输时,天顶号运载火箭存放在海洋指挥者号内。


临发射前,海洋指挥者号会用尾部接驳在奥德赛号上,然后平移火箭。


到达平台底部的火箭接着被吊运到平台顶层。



当然,平台本身也能较长时间地维护火箭。有时为了等待发射时机,奥德赛平台可以带着起竖状态的天顶号运载火箭靠港休息。


未来



海上发射公司,由四个在航空航天航海领域很牛的集团组建而成。但是,在2009年6月22日,该公司还是宣布破产了。


原因很多,2006年,海上发射公司的总经理吉姆被SpaceX公司挖走了,成为了SpaceX公司的首席运营官。


另外,就是美国官方对海上发射公司的干扰了。



1998年,波音公司被美国政府判罚1000万美元,罪名是向非美国的盟友转移洲际弹道导弹技术。(波音不是有强大的游说团队么?的确有,否则罚款会高达1.02亿美元的。)


美国、俄罗斯、乌克兰和挪威的组合让美国技术限制部门头大了。他们多次强制调查海上发射公司,每次调查都会让公司停摆2个月。



美国海关也对海上发射公司的破产起到了推波助澜的作用。


天顶号运载火箭委屈地被美国海关认定为洲际弹道导弹。因此,美国海关强烈地试图阻止携带该火箭零部件的海洋指挥者号停靠加利福尼亚港口。


另外,太平洋相关海域的国家联名到联合国参了海上发射公司一本。虽然天顶号运载火箭使用的是环境友好的液氧煤油燃料,而非偏二甲肼/四氧化二氮有毒燃料,但是,该公司的大股东之一是曾经研制出世界上威力最大的撒旦核导弹的南方设计局这个事实还是让太平洋海域的国家心有忌惮。


2010年,海上发射公司得到了重组。 



重组后,俄罗斯能源火箭公司占公司95%的股份,美国波音公司占3%,挪威阿克公司占2%。从此,之前的四大集团变为三大集团(少了乌克兰南方设计局),美国和挪威也大幅缩减了投资。


然后,中国发声了!


中国航天科技集团公司已表明,我国在开展海上发射试验后,计划从2018年开始推出面向商业市场的海上发射服务。


咱们的海上发射公司的组成比之前的那个四大集团要简洁多了。无论是运载火箭还是卫星平台的技术,都是咱们自己的,因此也就避免了国与国之间技术转让方面的纷争。


中国将挑战美俄乌挪四国联手打造的海上发射传奇!


小火箭看好你!


本文来自微信公众号:小火箭(ID:ixiaohuojian),作者:邢强博士。

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