海上發(fā)射公司的技術(shù)巔峰

文/ 小火箭

海上發(fā)射公司的技術(shù)巔峰

文/ 小火箭

▲ 海洋奧德賽號海上發(fā)射平臺是一個120米長，69米寬，擁有1.245萬馬力動力的自航半潛式平臺

由美國波音公司商業(yè)空間分公司、俄羅斯能源火箭公司、烏克蘭南方設(shè)計局、挪威克瓦納集團(tuán)等四大集團(tuán)組成的海上發(fā)射公司，包攬了從衛(wèi)星平臺到運載火箭再到船舶這三大領(lǐng)域的技術(shù)巔峰。

平臺

海上發(fā)射公司用于發(fā)射運載火箭的平臺叫做海洋奧德賽號。這座平臺一開始并不是為了海上發(fā)射專門設(shè)計的，而是日本住友重機械工業(yè)株式會社在1983年建成的海上移動石油勘探和鉆井平臺。該鉆井平臺被美國船級社認(rèn)定為+A1 +AMS級。

這個120米長，69米寬，擁有1.245萬馬力動力的自航半潛式平臺被認(rèn)定的這個級別，并且擁有這樣的設(shè)計，意味著什么呢？

意味著強悍的海上穩(wěn)定能力。該鉆井平臺能夠同時應(yīng)對100節(jié)的風(fēng)速+110英尺的浪高和3節(jié)的暗流。翻譯成咱們常見的單位，100節(jié)的風(fēng)速也就是190公里/小時，也就是54米/秒的風(fēng)速。要知道，12級臺風(fēng)的風(fēng)速為37米/秒。54米/秒的風(fēng)速，按風(fēng)級對應(yīng)為17級超強臺風(fēng)（四級颶風(fēng)）。110英尺的浪高相當(dāng)于33.5米。

原本設(shè)計用來在阿拉斯加海域的驚濤駭浪和刺骨寒風(fēng)中獨立鉆探的平臺擁有比較完備的環(huán)境控制系統(tǒng)和完全封閉的生活區(qū)（支持68人長期居住），平臺甚至對鉆頭都可進(jìn)行溫控。在-35℃的環(huán)境中，平臺可以藐視一般的風(fēng)浪，進(jìn)行持續(xù)作業(yè)。

海上發(fā)射公司成立后，波音和挪威克瓦納幾乎同時看中了這個平臺。巨大的抗風(fēng)浪能力、充足的電力供應(yīng)、完備的環(huán)境控制系統(tǒng)，這簡直是為運載火箭的海上發(fā)射活動量身打造的。用克瓦納的工程師的話說，就是：即使是從頭設(shè)計，從零開始建造，我們最后能夠拿出來的平臺最多也就是這個樣子了。

上世紀(jì)90年代，海洋奧德賽號鉆井平臺被拖到克瓦納集團(tuán)的維堡造船廠進(jìn)行升級改造。維堡這個地名，熟悉第二次世界大戰(zhàn)歷史的讀者或許一下子就認(rèn)出來了。這座在圣彼得堡西北方113公里處的港口城市，歷史上曾多次易主。1940年，冬季戰(zhàn)爭之后，芬蘭將這座堡壘港灣割讓給了蘇聯(lián)。

1997年5月，煥然一新的奧德賽號下水。挪威克瓦納集團(tuán)的工程師把它打造成了一個海上發(fā)射平臺。他們延長了平臺，增加了火箭發(fā)射場的設(shè)備。改造后奧德賽號長132.91米，寬67.02米，最大吃水深度34.51米。空載排水量2.7萬噸，滿載排水量4.59萬噸。8臺羅羅公司的卑爾根KVG/B-12發(fā)動機給奧德賽提供了強大的動力。這樣的發(fā)動機，單臺功率就高達(dá)1550馬力！

在準(zhǔn)備發(fā)射火箭的時候，奧德賽平臺會進(jìn)入半潛狀態(tài)，以進(jìn)一步增強穩(wěn)定性。這個能夠抵抗17級大風(fēng)和34米巨浪的平臺，是能夠在赤道海域的風(fēng)浪中淡定從容地工作并經(jīng)受住火箭發(fā)射時的巨大噴流的。

平臺的續(xù)航能力如何？還是不錯的。在赤道附近海域、挪威或者俄羅斯的港口還有加拿大不列顛哥倫比亞省西南部首府地區(qū)的埃斯奎莫爾特鄉(xiāng)的港口都能看到奧德賽號的身影。

火箭

說完了由挪威克瓦納集團(tuán)改造的奧德賽海上發(fā)射平臺，再來說說運載火箭本身吧！

蘇聯(lián)在1970年代開始了一個野心勃勃的大型運載火箭系列計劃，準(zhǔn)備以同一款大推力火箭發(fā)動機為基礎(chǔ)，發(fā)展多種發(fā)動機型號和運載火箭型號。這個計劃進(jìn)行得比較順利。實際上，天頂號火箭是蘇聯(lián)解體前發(fā)展出來的技術(shù)含量最高的一款火箭?；鸺膊康乃膫€大噴管屬于同一臺發(fā)動機。

負(fù)責(zé)這個火箭項目的設(shè)計局值得一說。天頂號是由導(dǎo)彈設(shè)計大師米哈伊爾·庫茲米奇·楊格爾牽頭成立的南方設(shè)計局的項目。雖然該設(shè)計局（蘇聯(lián)內(nèi)部代號586設(shè)計局，或者按某些地方的習(xí)慣，叫做586所）在接手天頂號火箭項目的時候，所長楊格爾已經(jīng)去世5年了，但是他的副手完全有能力把設(shè)計局撐起來。

這個人便是楊格爾的學(xué)生、副手：弗拉基米爾·烏特金。他是包括SS-18撒旦洲際彈道導(dǎo)彈在內(nèi)的多款導(dǎo)彈的總設(shè)計師。其脫密后，被后人尊為蘇聯(lián)導(dǎo)彈“教父”。

烏特金提出了天頂號火箭的最大技術(shù)特點：火箭具有環(huán)境友好性，且具備超強的載荷能力，還要讓發(fā)射工序?qū)崿F(xiàn)完全無人化。

火箭被機械裝置自動吊裝在發(fā)射臺上并連上地面控制管線，其后在發(fā)射準(zhǔn)備、點火或因發(fā)射任務(wù)取消而須從發(fā)射臺上撤下時都不需要進(jìn)行手動操作，從而大大減少了因發(fā)射事故導(dǎo)致人員傷亡的可能性。此外，天頂號的發(fā)射臺不包含任何在發(fā)射時有可能被燒毀的設(shè)備，因此在發(fā)射完成5小時之后，就可以再次進(jìn)行發(fā)射。

1985年4月13日，第一枚天頂號運載火箭從拜科努爾發(fā)射場發(fā)射，雖然沒有把模擬的有效載荷送入軌道，但是RD-171發(fā)動機工作正常。問題出在第二級的RD-120發(fā)動機上。

1987年5月15日，蘇聯(lián)發(fā)射了第一枚能源號運載火箭。然而，到了1988年11月15日，隨著能源號的最后一次發(fā)射，所有的大型航天項目都面臨著被終結(jié)的命運。到了上世紀(jì)90年代初，這個紅色帝國倒下的時候，RD-170系列也終于和蘇聯(lián)的火箭暫時告別了。

后來，美國、俄羅斯、烏克蘭和挪威的四大集團(tuán)共同投資的海上發(fā)射公司成立了。天頂號火箭帶著RD-170發(fā)動機一起，獲得了新生。這枚起飛質(zhì)量達(dá)465.8噸的火箭由1臺RD-171液氧煤油火箭發(fā)動機托起。

天頂號運載火箭長58.653米，直徑3.91米，發(fā)射質(zhì)量465.8噸。近地軌道運載能力為13.51噸，地球同步轉(zhuǎn)移軌道運載能力為6.06噸，

▲ 海上發(fā)射公司的天頂號運載火箭正在發(fā)射

地球靜止軌道運載能力為3.608噸。哈！看到近地軌道運載能力13.51噸這個參數(shù)，眼熟吧！是的，中國的長征七號運載火箭的近地軌道運載能力同樣為13.5噸左右。但是，設(shè)計得已經(jīng)足夠優(yōu)化的長征七號運載火箭的發(fā)射質(zhì)量為597噸。擁有相近的運載能力，但是長征七號火箭足足比天頂號運載火箭重了131.2噸，也就是重了28.17%。

同為比較優(yōu)秀的兩款運載火箭，一款代表蘇聯(lián)時代的最高設(shè)計水平，一款是即將在今后承擔(dān)我國主力發(fā)射任務(wù)的主力軍，為何起飛質(zhì)量差這么多？實際上，這體現(xiàn)了海上發(fā)射的優(yōu)勢。長征七號運載火箭如果在赤道海域發(fā)射的話，運載能力將會遠(yuǎn)超天頂號運載火箭。等著瞧吧！

天頂-3運載火箭的第一級與天頂-2運載火箭通用。天頂火箭第一級長32.91米，直徑3.91米，空重27.563噸，發(fā)射質(zhì)量354.352噸，氧化劑質(zhì)量236.567噸，燃料質(zhì)量90.219噸。

天頂號運載火箭的第二級通過帶有濃郁蘇聯(lián)風(fēng)格的桁架結(jié)構(gòu)級間段與第一級相連。我們在聯(lián)盟火箭和某些國家的洲際彈道導(dǎo)彈上能夠看到類似的結(jié)構(gòu)。

那么，問題來了。海上發(fā)射的成功率到底如何呢？筆者統(tǒng)計了1999年3月至今的海上發(fā)射公司所有的發(fā)射活動，共36次，其中32次成功，1次部分成功，3次失敗，成功率為88.89%，按最終入軌成功率來說，為91.67%（把部分成功那次算成功），對于一款商業(yè)貨運運載火箭來說，算是中規(guī)中矩。

▲ 起豎天頂號運載火箭

▲ 海洋指揮者號，長203米，寬32米，吃水8米，滿載排水量3萬噸，續(xù)航能力3.3萬公里

大船

實際上，整套海上發(fā)射系統(tǒng)不僅有發(fā)射平臺和運載火箭，還需要一艘指揮控制船（該船平時還作為貯存和運輸運載火箭之用）。指揮艦、發(fā)射平臺與運載火箭三個子系統(tǒng)構(gòu)成了整套海上發(fā)射系統(tǒng)。

名為“海上指揮者”的大船是挪威克瓦納集團(tuán)研制的。海洋指揮者號在克瓦納集團(tuán)的蘇格蘭格拉斯哥造船廠建造。說起格拉斯哥，可是大船的搖籃了，甚至可以說是工業(yè)革命的圣地。全世界工程師都應(yīng)該知曉這個地方。公元1736年，一個叫詹姆斯·瓦特的人誕生在蘇格蘭格拉斯哥的郊區(qū)小鎮(zhèn)。這個瓦特就是那個后來大幅改進(jìn)了蒸汽機的瓦特。他后來沒有離開故鄉(xiāng)，而是就近在格拉斯哥成立了公司，賣出了1166臺蒸汽機。在維多利亞時代，成為蒸汽機的誕生地的格拉斯哥有多厲害？當(dāng)時全世界性能強勁的蒸汽機和船舶大多產(chǎn)自格拉斯哥。該城市是繼倫敦和巴黎之后，第三個人口超過100萬的歐洲城市，被譽為大英帝國第二城。直到今天，格拉斯哥依然是英國造船業(yè)的核心城市，英國皇家海軍的大量軍艦就誕生在這里。

1997年在格拉斯哥下水的海洋指揮者號，長203米，寬32米，吃水8米，滿載排水量3萬噸，續(xù)航能力3.3萬公里。

天頂號運載火箭是從船屁股這里登船的。在長途運輸時，天頂號運載火箭存放在海洋指揮者號內(nèi)。臨發(fā)射前，海洋指揮者號會用尾部接駁在奧德賽號上，然后平移火箭。到達(dá)平臺底部的火箭接著被吊運到平臺頂層。當(dāng)然，平臺本身也能較長時間地維護(hù)火箭。有時為了等待發(fā)射時機，奧德賽平臺可以帶著起豎狀態(tài)的天頂號運載火箭靠港休息。

運營

眾所周知，影響一家商業(yè)航天公司發(fā)展前途的關(guān)鍵乃至是影響整個商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵就是商業(yè)訂單的數(shù)量和金融層面的注資情況。海上發(fā)射公司早期運營的成功得益于兩大衛(wèi)星供應(yīng)商的信任和大力支持。

1995年，也就是海上發(fā)射公司成立的當(dāng)年，休斯空間與通訊公司就和該公司簽訂了首份發(fā)射合同。這在商業(yè)航天行業(yè)中是極其罕見的。休斯空間與通訊公司發(fā)射了世界上第一顆地球同步衛(wèi)星和第一顆地球同步軌道氣象衛(wèi)星。在被波音公司收購之前，世界上有40%的人造衛(wèi)星是休斯空間與通訊公司生產(chǎn)的?？梢哉f，休斯在當(dāng)時是全世界衛(wèi)星行業(yè)的翹楚。而休斯公司在海上發(fā)射公司成立伊始主動拋出橄欖枝，請求海上發(fā)射公司接單的做法，為海上發(fā)射迅速獲得行業(yè)關(guān)注和認(rèn)可做出了突出貢獻(xiàn)。

▲ 移動的指揮船乘風(fēng)破浪前進(jìn)

休斯的訂單意味著海上發(fā)射公司這家初出茅廬的企業(yè)獲得了行業(yè)老大的認(rèn)可，其專業(yè)性和規(guī)范性自有休斯公司為其背書。這是其早期得以成功的一個重要原因。

▲ 挪威克瓦納集團(tuán)是歐洲最大的海上鉆井平臺和船舶制造公司

而且，休斯公司送給海上發(fā)射公司的“見面禮”是厚重的。首份發(fā)射合同并不是一顆技術(shù)驗證星，也不是簡易的搭載衛(wèi)星，而是貨真價實的商業(yè)衛(wèi)星，而且合同中要求的發(fā)射數(shù)量是10顆，并非之前人們猜測的1顆。

這些都使得海上發(fā)射公司在成立伊始就在行業(yè)內(nèi)站穩(wěn)了腳跟。手里捏著10顆商業(yè)衛(wèi)星的發(fā)射訂單，而且是休斯公司的，這給海上發(fā)射公司賦予了十足的信心。對于行業(yè)內(nèi)其他潛在客戶來說，休斯的訂單無疑是一顆定心丸，其影響力遠(yuǎn)勝過海上發(fā)射公司自身的宣傳。

實際上，休斯公司給海上發(fā)射公司的首次發(fā)射合同中，除10顆確認(rèn)要發(fā)射的衛(wèi)星之外，還有10顆衛(wèi)星的意向訂單。這樣的合同給海上發(fā)射公司帶來了重大利好。而如果我們現(xiàn)在回頭看本世紀(jì)的那次并購的話，或許可以對此稍有理解：不久之后，休斯公司的太空業(yè)務(wù)就被波音公司收購了，而波音公司擁有海上發(fā)射公司40%的股權(quán)。又有誰能夠否認(rèn)這其中沒有長期資本運作的謀劃呢？

另一家大力支持海上發(fā)射公司的衛(wèi)星企業(yè)是勞拉空間公司。這家位列全球第五的衛(wèi)星供應(yīng)商在地球同步軌道衛(wèi)星的軌道保持技術(shù)和高精度姿態(tài)控制系統(tǒng)方面享譽世界。勞拉公司給海上發(fā)射公司送來了5顆衛(wèi)星的發(fā)射合同。這使得海上發(fā)射公司又獲得了地球同步軌道發(fā)射業(yè)務(wù)的行業(yè)認(rèn)可。

除發(fā)射合同之外，另一個影響商業(yè)航天企業(yè)運營的關(guān)鍵因素是資金。在海上發(fā)射公司創(chuàng)立之初，資金還是比較充裕的?？偛课挥诙砗ザ碇莞鐐惒际械拇笸D銀行是由大通國家銀行和曼哈頓公司銀行于1955年合并而成立的。隨后大通銀行與JP摩根公司在2000年合并，躋身美國四大銀行（摩根大通、富國銀行、美國銀行、花旗銀行）之列。摩根大通銀行給成立之初的海上發(fā)射公司注資4億美元。這筆貸款成為海上發(fā)射公司得以成功實現(xiàn)早期的發(fā)射活動的主要資金來源。

另外，世界銀行也對這家美國、俄羅斯、烏克蘭和挪威四個國家的頂級技術(shù)團(tuán)隊聯(lián)手打造的商業(yè)航天公司表現(xiàn)出了濃厚的興趣。世界銀行為海上發(fā)射公司提供了1.75億美元的低息長期貸款。

在公司成立伊始就獲得了充足的發(fā)射訂單和運營資本的海上發(fā)射公司沒有被好運氣沖昏頭腦。公司的發(fā)射業(yè)務(wù)團(tuán)隊認(rèn)為，海上發(fā)射的可靠性還未得到充分驗證，手里拿到的15個發(fā)射訂單和10個意向訂單如果不能按時完成的話，將會損害海上發(fā)射公司的聲譽。

于是，海上發(fā)射公司團(tuán)隊想出了一個共贏的方案，他們聯(lián)合日本三菱重工和歐洲的阿里安火箭發(fā)射公司組成了發(fā)射訂單共享聯(lián)盟。在聯(lián)盟的協(xié)議中，我們能夠得知，一旦當(dāng)海上出現(xiàn)臺風(fēng)、颶風(fēng)或者其他災(zāi)害性天氣以及局部地區(qū)出現(xiàn)戰(zhàn)爭而對發(fā)射時間產(chǎn)生不利影響時，海上發(fā)射公司可以把訂單交由日本的三菱重工或者歐洲的阿里安，由他們代為完成發(fā)射業(yè)務(wù)，共享發(fā)射利潤。

制表：邢強注：2004年6月28日的那次部分成功，是海上發(fā)射公司發(fā)射亞太5號通信衛(wèi)星時，火箭推力稍有不足，未能將衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，但后來衛(wèi)星憑借自己的力量還是成功入軌。該衛(wèi)星目前依然在軌道上正常工作，并預(yù)計將工作到2018年。

在2004年，這項未雨綢繆的協(xié)議還真的起到了保險的作用。海上發(fā)射公司在當(dāng)年把1次商業(yè)發(fā)射業(yè)務(wù)交由阿里安火箭公司代為完成。

另外就是這樣的發(fā)射聯(lián)盟可以給海上發(fā)射公司充足的時間來應(yīng)對由發(fā)射失敗帶來的問題。

2007年1月30日，海上發(fā)射公司的天頂- 3SL運載火箭在發(fā)射荷蘭NSS-8通信衛(wèi)星時，突然發(fā)生爆炸，在洋面上升起一個遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)射平臺的火球。萬幸的是，按照標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射流程，所有的工程師都在發(fā)射前從平臺上撤離了，因此爆炸并未造成人員傷亡。

海洋奧德賽號發(fā)射平臺受損。除上層的發(fā)射服務(wù)設(shè)施被燒灼外，平臺下部的尾焰導(dǎo)流器也被爆炸的沖擊波震裂，部分導(dǎo)流設(shè)備墜入海中，難以打撈。無奈之下，海上發(fā)射公司只得將海上發(fā)射平臺運往加拿大進(jìn)行修理，停靠在緊鄰不列顛哥倫比亞省維多利亞的西邊的加拿大海軍愛斯奎馬特基地附近。工程師們認(rèn)定，在2007年8月份之前，海洋奧德賽號發(fā)射平臺都無法進(jìn)行海上發(fā)射活動了。但是，休斯公司與海上發(fā)射公司簽署的發(fā)射合同中，有1顆衛(wèi)星是需要在2007年3月底之前入軌的。

這樣，海上發(fā)射公司再次找到了阿里安火箭公司，并最終借用阿里安-5型運載火箭將太空-3號衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。而在加拿大進(jìn)行維修的海洋奧德賽號海上發(fā)射平臺在2007年7月31日終于得以離開加拿大海軍基地旁邊的船塢，獲得了新生。經(jīng)工程師審定，在2007年9月份，海洋奧德賽號重新?lián)碛辛撕Ｉ习l(fā)射的能力。

影響商業(yè)航天公司長期運營結(jié)果的另一個重要因素就是人力成本。作為美國、俄羅斯、烏克蘭和挪威4個國家的工程師組成的商業(yè)航天公司，在溝通合作的過程中，需要付出更多成本。畢竟在面臨商業(yè)發(fā)射的技術(shù)問題的同時，還需要充分照顧來自不同國家，擁有不同生活習(xí)慣和文化背景的工作人員。

不過，海上發(fā)射公司在這方面做得也是比較好的。通過優(yōu)化發(fā)射流程，這個多國部隊式的組合總共只需要310人就能夠完成全部的海上發(fā)射活動。這相較于傳統(tǒng)的陸地上的航天發(fā)射中心動輒上千人的團(tuán)隊規(guī)模來說，的確小了很多?！?/p>

陳彩連