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长征五号为什么选在海南文昌发射,而不是甘肃酒泉?

 风吟楼 2020-02-12



丨长征五号遥三运载火箭点火瞬间
『一起看地图』,用地图看世界


12月27日20时45分,长征五号遥三运载火箭(即该型火箭生产序列中的第三枚)在中国文昌航天发射场点火升空,成功将重达8吨实践二十号卫星准确送入预定轨道,发射飞行试验任务取得圆满成功。

2016年11月3日,长征五号作为中国现役运载能力最高的运载火箭面世,填补了中国在重型运载火箭上的空白,受到了人们极大的关注,因其直径超过了5米,被人们称为“胖五”。然而在2017年7月2日的第二次发射中,“胖五”却在发动机上出了问题,未能将卫星送入预定轨道,由此陷入沉寂,直到这次发射,才得以再次证明自己的实力。

长征五号作为中国首型直径超过五米的火箭,被人们称为“胖五”

在祝贺长征五号发生成功的同时,我想也有很多人注意到,长征五号的三次发射任务都定在了文昌卫星发射中心,而不是我们更熟悉的酒泉卫星发射中心,亦或是西昌卫星发射中心,这里面有什么原因?

纬度因素对航天发射的影响

航天发射作为人们探索宇宙的一种科学活动,和天体运动等宇宙物理规律有着密切的关系,其中最重要的概念就是宇宙速度,即环绕地球的第一宇宙速度,脱离地球引力的第二宇宙速度和脱离太阳系引力的第三宇宙速度。目前大多数航天活动都在地球引力范围内,因此我们将重点放在7.9km/s的第一宇宙速度上,即航天器的速度达到7.9km/s,就不会因地球的引力而被吸回地面,而成为地球的一颗卫星。


那么这个速度和纬度有什么关系?

我们知道,地球共有自转和公转两种运动形态,公转的速度为107000公里/小时,转化成秒速为29.8km/s。地球自转的速度分为角速度和线速度,角速度是指地球在单位时间内转过的角度,除了南北两个极点,地球上任何一个地方的角速度都是15度/小时;线速度是指地表上一点相对于地轴运动的速度,线速度大小由赤道地区的465m/s向两极递减。

不同纬度地区1小时的角速度和线速度

于是,航天专家充分利用地球自转的线速度为航天发射提供额外动力。

如果我们将航天发射场选在赤道地区,并且按照地球自转的方向自西向东发射,就能利用地球自转所产生的465m/s的线速度。这就意味着,航天器要想达到7.9km/s的第一宇宙速度,只需要达到7.5km/s就够了,因为剩下的0.4km/s可以由地球提供,同时也意味着运载火箭可以携带携带更重的卫星或者更少的燃料。

而我国现役的酒泉、太原、西昌、文昌四大卫星发射中心,上世纪60年代建设的酒泉和太原两大发射中心都在40°N左右的中纬度地区;80年代建设的西昌发射中心的纬度稍低,位于28.2°N;而2014年建成使用的文昌发射中心,位于19.36°N的低纬度地区,相比其他三地,纬度优势非常明显。

例如载人航天系列的火箭发射选在了更成熟的酒泉卫星发射中心,难度更高的探月工程则选在了西昌卫星发射中心,未来的空间站、探月工程、火星探测等更加艰巨的航天任务更适合在文昌进行。

此外,长征五号作为中国自主设计建造的第一款重型运载火箭,相比较美俄这样的航天强国,在重型火箭的运载能力和大推力火箭发动机技术上仍然有一些差距,例如长征五号的最大载重为25吨,美国的土星五号则有惊人的119吨。因此,将长征五号的发射任务定在纬度最低,发射难度较低的文昌,可以提高长征五号的发射成功率, 为中国的重型运载火箭的开发和使用积累经验。

世界各国主要火箭,最后两个美苏的“超级怪物”
和中国文昌卫星发射中心一样,世界上其他航天强国的卫星发射中心也尽量选择在低纬度地区。

例如美国,肯尼迪航天中心位于佛罗里达州东海岸28°N的海岛上,约翰逊航天中心位于休斯顿南部的墨西哥湾沿岸地区,前两年大出风头的SpaceX(太空探索技术公司),将特斯拉汽车送入太空的猎鹰火箭也是在靠近墨西哥边境的南部海岸发射场发射。

位于中高纬度的欧洲,则利用他们殖民历史,将航天发射中心放在海外属地或曾经的殖民地上。例如欧洲航天发射中心,被放在了南美洲的法属圭亚那,其纬度仅有4.9°,是世界上纬度最低的大型航天发射中心。

而处在高纬度的俄罗斯却没有欧洲那么好命。在苏联时期,苏联人也知道纬度对于航天发射的重要性,于是在1955年将第一个卫星发射中心建在了哈萨克斯坦境内的拜科努尔(45°N),在这里,苏联人发射了世界上第一个人造卫星,完成了人类第一次载人航天。然而,1991年苏联解体,拜科努尔成了别国的发射场,俄罗斯无奈之下只能将原来用作发射核导弹的纬度高达63°的普列谢茨克发射场改造成卫星发射中心。由于纬度的限制,普列谢茨克发射场并不适合用来发射小倾角卫星和地球同步轨道卫星。

纬度不够,推力来凑的苏联N1登月运载火箭


海陆位置对航天发射的影响

火箭最初是作用一种军事武器出现,一个国家的运载火箭技术往往能反映其导弹技术相挂钩。我国在上世纪开启运载火箭研究工作后,处于保密的需要将航天发射中心定在了深处内陆的酒泉,在这里,中国成功发射了第一枚地对地导弹,第一枚核导弹和第一颗人造卫星。

酒泉卫星发射中心

进入新世纪后,随着综合国力的提高和军事力量的成熟,中国再也不用“躲”在荒漠戈壁里研究火箭技术,而可以根据航天任务的要求,建设更适合航天发射的文昌卫星发射中心。

一方面,沿海的文昌卫星发射中心更利于运载火箭的运输。一般情况下,火箭的建造和组装却分布在全国各地的不同单位,因此在发射前需要将火箭从全国各地组装运送至发射场,而长征五号这种直径超过五米的重型火箭,选择海运是最方便和最安全的方式。

从天津装船上路的长征五号

另一方面,在沿海地区发射运载火箭,可以减少对地面人物财产造成的损害。火箭作为人类制造的最复杂的运载工具,谁都无法保证100%发射成功,而火箭发射一旦发生重大失败,无异于一颗失控的导弹。因此,选在沿海地区,尤其是东海岸(发射方向大都自西向东)可以有效降低火箭发射失利对地面造成的损害。

1986年美国挑战者号航天飞机发射后73秒在空中爆炸,7名航天员遇难

当然,一个好的卫星发射中心,除了纬度和海陆位置之外,还要考量政治、经济、地质、气候等各种因素,中国历次航天发射任务选在何处发射都有严谨的流程和科学的考证。

中国第一个火箭发射场竟然在安徽

酒泉虽然是中国第一个卫星发射中心,但酒泉最初的定位是发射导弹,火箭发射任务则在安徽广德的一个山坳里秘密进行。

1960年2月19日上海南汇老港,中国成功发射了第一枚实验型探空火箭“T-7M”号,走出了探索太空的第一步,随后在安徽省广德县誓节镇的一片荒芜人烟的山坳里,中国建立了第一个火箭发射场,即上海航天局603基地,并将火箭发射试验从上海搬迁至603基地开展。

在这里,中国第一代航天人先后进行了30多次各种类型和用途的探空火箭发射试验,为后来中国第一个人造卫星的成功发射积累了宝贵的经验。

1966年,随着酒泉发射场的愈加完善和国内局势的变化,火箭发射任务逐渐从603基地转移至酒泉。多年以后,广德县誓节镇的这片山坳里,只剩了一座发射架和部分房屋,成为见证中国航天精神的缩影。

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