為什麼今後我國航天發射主要選在海南文昌?

對於7月2日晚在文昌航天發射場發射的「長征胖5」失敗的事兒,很多人唏噓不已,但我們今天不談發射失敗,只談發射場的事兒。

因為很多人都會疑問:為什麼選擇文昌作為主力發射場?為什麼中國航天發射重心逐漸南移了?為什麼全球大部分航天發射場都喜歡往低緯度靠近?

其實,這些問題基本上都屬於一個問題,

最好選擇什麼樣的地方作為航天發射場?

除了政治、經濟、交通、地理、氣候等因素外,更需要考慮兩個因素:

①如何用更少的燃料或者讓火箭裝載得更多?

②如何讓發射失敗後,對地面人財物造成的危害最小?

第①個問題就需要借力——

藉助天體力學知識,充分利用天然外力。

我們知道像地球這樣的天體,主要有兩種運動形態:自轉和公轉。通常這兩種旋轉速度還很驚人——

公轉速度平均有107000公里/小時,或者說每秒29.8公里。按照這種速度,每7分鐘就能轉出一個地球直徑長度,每3.5小時就能轉出一個地月距離。

地球的自轉速度就比較複雜點,分為角速度和線速度。角速度是指地球在單位時間內轉過多少角度,地球自轉的角速度大概是每小時15度。線速度是指地球上任意一點相對於地軸旋轉的速度。所以呢,赤道的線速度最大,大概465米/秒,越往兩級越小。

於是,宇航動力專家充分利用到這種地球自轉的線速度,為火箭發射提供額外的助力。

具體又是如何借力呢?

大家知道,相對於地球/太陽系來說,一共有三種宇宙速度:第一、二、三宇宙速度,分別是環繞地球速度、脫離地球速度、脫離太陽系速度。

這裡呢,我們只會用到第一宇宙速度,具體是7.9公里/秒。如果我們在赤道附近發射火箭,並且順著地球自轉方向,由西向東發射,就能夠充分利用地球自轉產生的線速度465米/秒(約0.5公里/秒)。

這就意味著,要想火箭達到第一宇宙速度7.9公里/秒,只要達到7.5公里/秒就夠了,因為額外的465米/秒,可以由地球免費提供。這樣的話,我們的如意算盤就打到了——用更少的燃料或者說讓火箭裝得更多,飛到太空。

所以呢,明白了這一演算法,你也就搞懂了前面說的那些問題——為什麼中國航天發射重心逐漸南移了吧。

中國傳統三大衛星發射中心基本都處在中緯度(30~60度),西昌衛星發射中心位於北緯28.2度,但跟文昌航天發射中心19.36度相比,還是略遜一籌。

今後中國的載人空間站、探月工程、火星探測等極具雄心的航天項目,都需要更大載荷、更大推力作為發射配套,處於低緯度地帶的文昌發射場,無疑最有競爭力。

所以,發射重心南移是必然的。從2014年正式啟用的海南文昌發射場,徹底改寫了中國沒有沿海發射場的歷史。

同樣道理,這也是為什麼全球大部分航天發射場,都喜歡往低緯度靠近的主要原因。

▲這是全球各大火箭發射場分布圖,大部分都集中在中低緯度。

▲距赤道最近的聖馬科航天發射場,位於南緯2.9度,東經40.3度,東非肯亞東海岸的恩格瓦納海灣,距海岸4.8公里,也是全球唯一一個海上發射場。由義大利政府委託羅馬大學航空與航天研究中心籌建並管理使用。

問題來了,那為什麼還有一些航天中心選擇中高緯度呢?

比如蘇聯/俄羅斯兩個主要發射中心,一個比一個更北。

這是因為地理位置所限,蘇聯/俄羅斯沒有低緯度國境選項,只能在自家中高緯度部署發射場了。

▲位於北緯63度的普列謝茨克發射場,可以說是緯度最高的航天發射場,也是俄羅斯第一個航天發射場,還是世界上發射衛星最多的發射場,發射次數佔全世界總數一半以上。

▲位於哈薩克境內的拜科努爾航天發射場,地處北緯45度,不僅是蘇聯第一座火箭發射場,還是世界第一座也是規模最大的航天發射中心,最早從1955年啟用,第一顆人造衛星、第一次載人航天、蘇聯/俄羅斯所有載人航天……都從這裡發射。

再看看這些著名的發射場——

▲肯尼迪航天中心,毫無疑問是美國最重要的航天發射中心,位於美國東部佛羅里達州東海岸北緯28度的梅里特島(圖中白色部分),39號發射中心是肯尼迪航天中心唯一一個發射指揮所。其它所有發射都由美國空軍管轄的卡納維拉爾角空軍基地指揮(圖中綠色部分)。

▲SpaceX南德克薩斯發射場的區域位置圖,預算投資1億美元,預計2018年啟用,將為獵鷹9號、獵鷹重型運載火箭、發射載具以及可重複使用的一級火箭提供服務。這個發射場將成為世界上第一座商用外太空軌道發射設施。

細心的人可能發現了,

為什麼這些發射場更喜歡建在沿海地區呢?

除了海運交通的便利之外,選址時還要考慮「禍從天降」。(看過紀錄片《天降》Falling From the Sky的人可能深有體會)

說實話,火箭作為複雜度很高的人造物,誰都無法100%保證發射全過程零差錯。所以,發射場選址的首要標準:必須是人煙稀少,而最為人煙稀少的地方就屬海洋了。

▲北緯30度的種子島宇宙中心,是日本最大的宇航研究中心和航天發射中心,也是未來「亞洲版太空競賽」的主要發射場。

而且,最好還是東海岸。因為火箭從西往東飛,一旦發射失敗,爆炸殘餘物也是墜入大海。相反,要是選擇西海岸很可能就會落入陸地。

至於說范登堡空軍基地為啥設在美國西海岸?誰讓人家屬於美國軍方呢。

回頭再看看,海南文昌航天發射中心,是不是很符合這些重要條件呢。

註明:發射場/發射中心同屬一個概念


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