球航天發(fā)射場狀分析

譚惠文 徐曉帆（中國電子科學研究院）

編者按：2019年3月，美國戰(zhàn)略與國際研究中心（CSIS）發(fā)布了《全球航天發(fā)射場（Spaceports of the World）》報告，詳細分析了1957－2018年地基空間發(fā)射的情況，包括所有正在使用中和未使用的航天發(fā)射場的簡要情況，并收錄了至今仍在使用的22個航天發(fā)射場近10年的發(fā)射記錄。本文對報告的主要內(nèi)容進行了摘譯。

60多年前，蘇聯(lián)使用世界上第一枚洲際彈道導(dǎo)彈（ICBM）將人造衛(wèi)星送入軌道，標志著人類第一次成功實現(xiàn)軌道空間發(fā)射。從那時起，運載火箭相繼從遍布世界各地的27個航天發(fā)射場發(fā)射并進入軌道。而未來幾年，空間發(fā)射率預(yù)計將呈指數(shù)級增長，航天發(fā)射場將成為全球航天業(yè)日益重要的限制因素。

由于地面發(fā)射場約占迄今為止所有軌道空間發(fā)射的99%，因此本報告只包含地面成功發(fā)射入軌的相關(guān)信息，而不包括空中或海上移動平臺的發(fā)射情況。

1 主要觀點與結(jié)論

地基發(fā)射平臺仍是主流

雖然包括維珍軌道公司（VirginOrbit）等在內(nèi)的很多公司正在開發(fā)各類空基發(fā)射平臺，但目前絕大多數(shù)的衛(wèi)星都是從地面發(fā)射的。隨著私營公司繼續(xù)從世界各地的地基發(fā)射平臺發(fā)射運載火箭，發(fā)射場運營商將會通過展示它們支持應(yīng)急發(fā)射的能力，以及各類成功發(fā)射案例來吸引更多的客戶。

評估航天發(fā)射場的三個困難

1）發(fā)射清單不齊備。目前只有部分發(fā)射供應(yīng)商發(fā)布了他們的發(fā)射清單（即將發(fā)射和曾經(jīng)發(fā)射的詳細任務(wù)清單，以及該次發(fā)射的目的、發(fā)射場和運載工具等），因此難以根據(jù)其實際情況預(yù)測下一次發(fā)射。

2）發(fā)射記錄準確度不高。發(fā)射記錄通常僅顯示發(fā)射成功或失敗，而不包含其發(fā)射的準確性。一旦進入軌道并登記在美國聯(lián)合空間作戰(zhàn)中心（CSpOC）在線目錄中，在CSIS數(shù)據(jù)庫中便標記為成功發(fā)射，缺少關(guān)于是否進入預(yù)定軌道的記錄，無法評估該發(fā)射場發(fā)射的準確度。

3）發(fā)射延遲原因模糊。當發(fā)射因天氣原因而延遲時，發(fā)射場很少公布延遲的具體信息。由于不可控的天氣因素導(dǎo)致的一連串發(fā)射延遲，并不能客觀反映發(fā)射場本身的能力，也可能掩蓋發(fā)射場真實的發(fā)射能力。

空間發(fā)射不再保密

與早期不同，如今的空間發(fā)射非常公開透明，不僅可以從地面跟蹤發(fā)射的衛(wèi)星，或是從遙感公司購買高分辨率衛(wèi)星圖像來監(jiān)測發(fā)射場活動，還可以從美國政府獲取官方的CSpOC目錄。

中俄投資低緯度發(fā)射，中國影響力不容忽視

在低緯度發(fā)射衛(wèi)星具有節(jié)約能源的優(yōu)點，為此俄羅斯和中國已經(jīng)爭相投資低緯度的航天發(fā)射。俄羅斯將重點轉(zhuǎn)向南美洲的圭亞那航天中心，2005年開始建造與聯(lián)盟號兼容的發(fā)射平臺，并于2011年首次發(fā)射。雖然中國新建的文昌衛(wèi)星發(fā)射中心因任務(wù)延誤導(dǎo)致2018年沒有發(fā)射，但在2018年中國仍是世界上發(fā)射衛(wèi)星最為活躍的國家。

方位因素日益重要

航天發(fā)射場的方位限制可能是一個日益重要的限制因素。由于自動化飛行的飛行路徑有可能跨越美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）規(guī)定的禁區(qū)，這將大大降低航天發(fā)射場的發(fā)射安全性。

FAA執(zhí)照并非絕對指標

本文中7個持有FAA許可證的發(fā)射場，大多數(shù)還只支持水平發(fā)射。其航天發(fā)射的兩個目標分別是：垂直發(fā)射航天飛行和亞軌道航天旅游。截至目前，獲得FAA執(zhí)照并非實現(xiàn)軌道空間飛行的絕對要求。

2 影響航天發(fā)射場的幾個因素

地理因素

軌道發(fā)射示意圖

地球不同緯度的表面速度（5個最常用的太空港位于5°（N）～63°（N））

為了將衛(wèi)星送入軌道，首先要達到一定的高度（圓形軌道至少125km），同時還要有足夠的水平速度（對于低地球軌道需要約7km/s）。衛(wèi)星高度太低時，如軌道A，大氣摩擦會帶來額外的燃料消耗。衛(wèi)星高度足夠，但水平速度較低的，如軌道B，也無法進入最終軌道，而是以拋物線、亞軌道返回地球。

（1）低緯度

由于地球自轉(zhuǎn)，低緯度地區(qū)的自轉(zhuǎn)速度較高，赤道最高速度為465m/s；高緯度地區(qū)的自轉(zhuǎn)速度較低，南北緯60°地區(qū)約為232m/s；北極和南極為0 m/s，水平速度方向向東。對于一些太空任務(wù)，水平速度可以降低將物體加速到軌道速度所需的能量。這對于需要直接發(fā)射到前向軌道的任務(wù)非常有用，但直接發(fā)射到逆行軌道卻需要向西發(fā)射。因此從理論上講，從赤道地區(qū)的發(fā)射場向東發(fā)射一個物體可以最大化地利用地球自轉(zhuǎn)。

（2）方位角限制

所有航天發(fā)射場都有相應(yīng)的落區(qū)，是為了考慮在火箭回落到地球表面或是中止任務(wù)時可能對陸地的影響，尤其是火箭推進劑的毒性和墜落碎片等因素使得落區(qū)必須避開人口稠密地區(qū)或外國領(lǐng)土、空域?？{維拉爾角發(fā)射場的方位角僅限于正東方向發(fā)射；范登堡空軍基地的方位角僅限于向南發(fā)射。

卡納維拉爾角發(fā)射場（左）和范登堡空軍基地（右）的方位角限制示意圖

自然因素

有利的天氣條件對航天發(fā)射至關(guān)重要，高自然災(zāi)害風險的國家在建設(shè)發(fā)射場時必須考慮這一問題。如日本的兩個太空港就位于該國地震最少的南部地區(qū)。2010年地震摧毀了日本的主要太空中心筑波航天中心，但南部太空港仍保存完好。

政治因素

建造太空發(fā)射場的最大驅(qū)動力是政治因素。幾乎所有的發(fā)射場都建在一個完全由本國控制的地區(qū)，比如Broglio航天中心位于肯尼亞海岸附近的專屬經(jīng)濟區(qū)內(nèi)，美國和意大利均可進入。此外，為了維持與鄰國之間的政治關(guān)系，會對航天運輸能力進行控制。例如，帕爾馬奇姆空軍基地的以色列太空港專門向西發(fā)射到逆行軌道以避開其東部鄰國，雖然犧牲了發(fā)射效率，但有利于維持區(qū)域政治的穩(wěn)定。

3 全球主要航天發(fā)射場及其特點

對全球22個活躍的航天發(fā)射場進行了詳細對比：①1957－2018年，每年“主要有效載荷”發(fā)射總數(shù)；②每次發(fā)射軌道的目的地，包括軌道區(qū)域和傾角。其中，“主要有效載荷”是指根據(jù)CSpOC的軌道物體目錄，在特定發(fā)射中的唯一有效載荷或其國際代號中標有“A”字母代碼的有效載荷。主要有效載荷分為5種軌道狀態(tài)類別：低地球軌道（LEO）、地球靜止軌道（GEO）、中地球軌道（MEO）、其他軌道與“缺失”。

全球主要航天發(fā)射場及其特點

續(xù)表