SpaceX公司首個新建商業(yè)發(fā)射場的問題識別與分析

郭鳳明 番紹炳 何基強 張龍

（藍(lán)箭航天空間科技股份有限公司）

2014年9月，美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的首個新建商業(yè)發(fā)射場—博卡奇卡（boca chica）發(fā)射場建設(shè)動工。目前，博卡奇卡已經(jīng)有多項土建設(shè)施建設(shè)完工并投入使用?！靶桥灐保⊿tarship）的SN系列試驗也已在博卡奇卡完成低溫爆破、跳躍等多項基礎(chǔ)研發(fā)試驗。本文根據(jù)SpaceX公司提交并通過審查的《環(huán)境影響評估》報告（EIS），結(jié)合常規(guī)運載火箭發(fā)射及發(fā)射場運營要面對的問題，對博卡奇卡發(fā)射場在執(zhí)行首次入軌飛行試驗前所面臨的一些重要問題進(jìn)行初步識別和分析。

1 前言

2014年6月，SpaceX公司與美國聯(lián)邦航空局的商業(yè)航天運輸辦公室（FAA-AST）一起完成了《環(huán)境影響評估》(EIS)報告[1]。通過EIS報告，該公司獲得了政府對建設(shè)博卡奇卡發(fā)射場的支持，其中包含了約3000萬美元的財政獎勵。SpaceX公司計劃利用該獎勵開發(fā)和運營發(fā)射場。作為回報，該公司承諾提供至少100個全職崗位，并在五年內(nèi)提供至少2475萬美元的薪資。根據(jù)EIS報告，并結(jié)合常規(guī)運載火箭發(fā)射及發(fā)射場運營情況可以預(yù)判，SpaceX公司在博卡奇卡新建商業(yè)發(fā)射場仍面臨多方面問題。

2 爆炸風(fēng)險控制及海上安全

運載火箭存在由于潛在問題而引發(fā)爆炸的風(fēng)險?；鸺赡軙斐蓢?yán)重的設(shè)施損壞、人員傷亡和環(huán)境污染等影響。爆炸帶來的危害因素包括爆炸超壓、碎片撞擊、可能的庫區(qū)二次爆炸、有毒的廢水廢氣等[2]。

博卡奇卡發(fā)射場位于美國德克薩斯州布朗斯維爾（Brownsvillle）以東，距離美國/墨西哥邊境以北不到4.8km，火箭爆炸風(fēng)險可能延伸至美/墨邊境，引起邊境爭端。因此，博卡奇卡發(fā)射場可采用控制安全半徑的方法來應(yīng)對爆炸風(fēng)險。

以博卡奇卡發(fā)射臺為中心的半徑2.4km內(nèi)屬于爆炸區(qū)。在火箭發(fā)射或推進(jìn)劑加注后，此區(qū)域內(nèi)將清除非必要人員。發(fā)射臺半徑4.3km內(nèi)為禁水區(qū)（延伸美國/墨西哥邊界）[1]，在火箭加注前需對禁水區(qū)域內(nèi)的航行船只進(jìn)行疏散。

博卡奇卡爆炸區(qū)域及禁水區(qū)

墨西哥灣還有大量運輸船只和固定勘探平臺等設(shè)施。在博卡奇卡發(fā)射場執(zhí)行火箭發(fā)射，需重視該區(qū)域海上安全問題。博卡奇卡近海區(qū)域內(nèi)，娛樂和商業(yè)捕魚船只航行頻繁，發(fā)射期間船只必須從危險區(qū)撤離。墨西哥灣內(nèi)的遠(yuǎn)海區(qū)域，大型油輪、集裝箱船、海上游輪等會因火箭子級和整流罩的墜落風(fēng)險受到威脅。SpaceX公司在EIS報告中表示，將與美國海岸警衛(wèi)隊合作完成近海和遠(yuǎn)海水域在發(fā)射任務(wù)期間的安全疏散任務(wù)。由于火箭發(fā)射危險區(qū)域涉及墨西哥領(lǐng)海，該公司還需與墨西哥政府進(jìn)行協(xié)調(diào)。

除海上船只外，墨西哥灣還有大量石油勘探、鉆探和抽油平臺[3]。雖然博卡奇卡發(fā)射場附近石油平臺密度相對不大，但火箭飛行航區(qū)內(nèi)的相關(guān)安全問題同樣不容忽視。發(fā)射前，平臺操作人員需提前撤離。此外，也可采用簽署無害協(xié)議等方式，該方式主要為平臺操作人員在接收到發(fā)射通知后，根據(jù)SpaceX公司提供的依據(jù)法規(guī)要求計算出的“人員傷亡預(yù)期”（Ec）數(shù)值，做出不撤離平臺的決定，并簽訂承擔(dān)相應(yīng)的傷亡預(yù)期的協(xié)議。該辦法已在加利福尼亞的范登堡空軍基地進(jìn)行的發(fā)射任務(wù)中實施。

3 發(fā)射射向范圍及殘骸落區(qū)

位于墨西哥灣西部的博卡奇卡發(fā)射場作為運載火箭入軌發(fā)射的起點，向南或向北發(fā)射，箭下點均會經(jīng)過人口稠密的陸地城市。因此，博卡奇卡射向范圍狹窄，僅僅有向東的射向選擇，并沿途有島嶼需要避讓。為避免飛越較多陸地，火箭從博卡奇卡發(fā)射后可沿佛羅里達(dá)和古巴之間（射向為93°～100°）或墨西哥尤卡坦半島與古巴之間（射向為109°～115°）的狹窄水路飛行。因此，博卡奇卡發(fā)射場射向范圍遠(yuǎn)小于美國佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角（Cape Canaveral）發(fā)射場。

SpaceX公司建造博卡奇卡發(fā)射場主要是為了開展地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星的商業(yè)發(fā)射。但其東北部為美國國土，東南部為墨西哥國土，人口稠密，因此很難支持更高傾角軌道的發(fā)射任務(wù)。由于地球自轉(zhuǎn)所賦予的額外速度不同，地處較低緯度的博卡奇卡發(fā)射場相較于卡納維拉爾角發(fā)射場可以提供更大的地球自轉(zhuǎn)線速度。這本意味著博卡奇卡發(fā)射場能有更大的運載能力，但該優(yōu)勢會被飛行過程中調(diào)整軌道面，及為控制落區(qū)采用的高彈道方案損失的運載能力相抵消。與卡納維拉爾角發(fā)射場不同，博卡奇卡發(fā)射場周邊有多個人口稠密的區(qū)域。保護這些區(qū)域的安全，需要定義火箭飛行安全管道，超出管道的飛行要嚴(yán)格管控，通過箭上自主安控或人工遠(yuǎn)程安控形式終止飛行。安全管道的確定必須考慮火箭和有效載荷碎片在爆炸后的飛行路徑。如在佛羅里達(dá)海峽，南北兩側(cè)陸地區(qū)域僅相隔約120海里（1海里=1.852千米，不包括任何島嶼），考慮碎片的飛行范圍，安全管道將被進(jìn)一步縮小，安全控制決策時間也將被進(jìn)一步壓縮。

博卡奇卡發(fā)射場與卡納維拉爾角發(fā)射場射向范圍

4 空中安全及飛控跟蹤

博卡奇卡發(fā)射場執(zhí)行火箭發(fā)射任務(wù)將面臨復(fù)雜的空域情況。墨西哥灣附近有大量機場[4]，在美國、中美洲和南美洲之間還存在多個航線橫穿墨西哥灣，航線由多個國內(nèi)和國際控制中心管理，如臨時改變，需進(jìn)行多部門協(xié)調(diào)工作。EIS報告中提到，SpaceX公司將與美國聯(lián)邦航空局的休斯敦航空交通管制中心（Houston Air Route Traffic Control Center）以及墨西哥通信與運輸秘書處（Secretariat of Communications and Transportation）協(xié)調(diào)其發(fā)射窗口，以實現(xiàn)空域通關(guān)和交通路線調(diào)整，但預(yù)計協(xié)調(diào)工作極為復(fù)雜。

目前博卡奇卡發(fā)射場尚未執(zhí)行發(fā)射入軌任務(wù)，也尚未正式實施運載火箭的目標(biāo)跟蹤、遙測數(shù)據(jù)下行、外彈道測量等?？{維拉爾角發(fā)射場在喬納森·狄更森導(dǎo)彈測控基地（JDMTA）的跟蹤站可以測控博卡奇卡發(fā)射場所發(fā)射運載火箭的后期階段，但無法覆蓋火箭入軌前的整條彈道。EIS報告中指出，SpaceX公司與德克薩斯大學(xué)布朗斯維爾分校（University of Texas at Brownsville）合作，為博卡奇卡發(fā)射場附近提供相控陣?yán)走_(dá)跟蹤能力，然而該方案也可能無法滿足遠(yuǎn)場測控要求?，F(xiàn)階段SpaceX公司還需為入軌前整條彈道的目標(biāo)跟蹤和數(shù)據(jù)上下行進(jìn)行通盤考慮。

5 自然環(huán)境

火箭升空過程中，需噴射大量淡水到導(dǎo)流槽內(nèi)，以抑制噪音和振動，并對導(dǎo)流面施加保護。SpaceX公司計劃在博卡奇卡發(fā)射臺附近的水塔中儲存淡水。但由于德克薩斯州缺少淡水，因此只能依靠卡車運輸。SpaceX公司需保證維持足夠的淡水供應(yīng)量來支持火箭測試及發(fā)射。

颶風(fēng)是博卡奇卡發(fā)射場需要面臨的惡劣因素。EIS報告中提到“自1851年以來，德克薩斯州的墨西哥灣海岸共遭受了63次颶風(fēng)襲擊，幾乎每三年發(fā)生一次。自2000年以來，有13次颶風(fēng)和熱帶風(fēng)暴襲擊了德克薩斯州沿?！薄４送?，該發(fā)射場地面或高空的風(fēng)可能轉(zhuǎn)移及擴大碎屑拋落的危險區(qū)域（包括進(jìn)入墨西哥領(lǐng)土）。

重大的風(fēng)浪危害也是SpaceX公司需要考慮的問題，包括風(fēng)浪對于發(fā)射場周圍海灘的侵蝕，以及沖刷道路和非高架設(shè)施的可能。

6 國際因素

博卡奇卡發(fā)射場靠近美/墨邊境，而墨西哥東北部邊境的塔毛利帕斯州（Tamaulipas）極端暴力犯罪活動頻發(fā)，暴力事件一直蔓延至德克薩斯州東南部的邊境。因此，發(fā)射場的硬件設(shè)施、數(shù)據(jù)、人員的安全性值得SpaceX公司關(guān)注。

另一個潛在的問題涉及古巴和其他加勒比國家。目前，美國執(zhí)行《國際武器貿(mào)易條例》（ITAR）和“導(dǎo)彈技術(shù)控制制度”（MTCR），對高科技產(chǎn)品或相關(guān)技術(shù)進(jìn)行出口保護，火箭和衛(wèi)星硬件在該條例和制度保護范圍內(nèi)，由此可見美國對相關(guān)技術(shù)的重視。如果火箭發(fā)射失敗后或回收失敗后掉入海中，其中的高科技產(chǎn)品可能會隨著潮汐而漂移到古巴或其他國家海灘上，從而導(dǎo)致技術(shù)泄露問題。雖發(fā)生這種情況的概率較小，但也不容忽視。

7 結(jié)束語

博卡奇卡發(fā)射場在爆炸風(fēng)險控制、海上及空中安全、射向范圍和殘骸落區(qū)、自然環(huán)境與國際因素方面均面臨相關(guān)問題。但作為一個全新的發(fā)射場，其箭體室外焊接總裝、工位無避雷塔設(shè)計、新型導(dǎo)流裝置設(shè)計等技術(shù)細(xì)節(jié)，依然驚艷著業(yè)內(nèi)人員。未來，博卡奇卡發(fā)射場會是SpaceX公司的“超重-星艦”（Superheavy-Starship）運輸系統(tǒng)箭體制造、試驗、發(fā)射的主要地點。SpaceX公司將在此掀起更大的商業(yè)航天浪潮。