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独家解密中国航天“海射首秀”幕后

首次海射不仅填补了我国在该领域的空白,也为商业航天带来了更多想象空间。

 

《中国经济周刊》 记者  陈惟杉 | 北京报道

责编:郭芳

编审:张伟

(本文刊发于《中国经济周刊》2019年第12期)

6月10日,国家国防科技工业局、中央军委装备发展部发布《关于促进商业运载火箭规范有序发展的通知》(下称《通知》),这被外界视为我国首个对商业运载火箭进行细则指导的官方文件。

《通知》提出,“鼓励商业运载火箭健康有序发展,进一步降低进入空间成本,补充和丰富进入太空的途径,大力推进航天运输系统技术和产业创新,加快提升我国进入空间的能力和国际市场竞争力。”

而海上发射被视为“进一步降低进入空间成本,补充和丰富进入太空的途径”的方式之一。

6月5日,长征十一号运载火箭在黄海海域起飞,将7颗卫星送入轨道,这是我国首次在海上发射运载火箭。

“海射首秀”在商业化上创下了多个“首次”,这是第一枚商业冠名的长征火箭,火箭被命名为“CZ-11 WEY号”;这是我国首次利用商业航天测控网为运载火箭提供全程测控服务。此外,7颗卫星中有多颗商业卫星,其中不乏由民营卫星公司自主研制的卫星。

对此,有商业航天业内人士并不感到意外,因为“海射本身就是极具商业色彩的行为”。

可以说,首次海射不仅填补了我国在该领域的空白,也为商业航天带来了更多想象空间。

“海射首秀”真正难点何在?

6月5日,长征十一号运载火箭(CZ-11 WEY号)成功完成“一箭七星”海上发射技术试验后,中国科学院研究员、长征十一号运载火箭原总指挥杨毅强被媒体问及是什么心情,他回答称:酸甜苦辣,五味俱全!就像自己养的孩子,又不在身边了。

据了解,2016年以来,已进行了多轮固体运载火箭海上发射工程的论证、技术攻关和研制工作。

此次虽是我国首次海射,亦是世界上首次完成固体运载火箭海上发射,但其实在20世纪60年代意大利便在印度洋建立了第一个移动式赤道发射场——圣马科发射场进行海射。

而上一次海上发射还要追溯到2014年,由俄罗斯、美国、挪威等国共同出资成立的海上发射公司完成,但随后海上发射公司暂停了发射业务。有统计显示,自首飞至2014年,海上发射公司共执行36次发射任务,其中32次发射成功,一次发射异常,3次失败。

相比于陆地发射,海上发射的技术难点主要体现在哪里?

“难点主要体现在四个方面。”杨毅强向记者介绍说,首先是火箭要能够在有风浪的情况下发射,适应一定海情,“要能够控得住。”据了解,此次用于海射的长征十一号火箭,即使面对四级、五级海况,一两米高的浪,也不影响火箭起飞的稳定性。其次是陆地发射场火箭测试点火发射都是通过光纤电缆实施,而在海上发射只能用无线方式。第三点是瞄准问题。第四点是火箭的安控问题。在陆地上,测控网有一套完整的安全控制系统,火箭可以进行自毁,发射场的安控部门可以对火箭进行炸毁,但进行海上发射时不可能将众多设备搬到海边或海上,因此就需要设计一套自主智能安控系统。

他向记者解释说,通过专门增加一套箭上计算机和一套北斗导航接收机,实时计算火箭位置,“保证火箭在安全管道内飞行,超出‘管道’时火箭会自毁。相当于把地面安控的规则置于箭上计算机中,由火箭自己来智能化处理。”

“一级火箭发动机的姿态控制、动基座下的瞄准、自主安控、无线测发控,可以说解决好了这几个问题,海上发射就完全成熟了。”杨毅强说。

除了技术层面的问题,海射的前期工作量还包括统一对海射的认识、组织协调,以及一些政策性问题的突破上。这个过程中经历了无数次反复沟通和协调。

比如运输问题,将火箭运到海上,安监部门完全可以对船本身的防爆能力提出疑问。但对于航天领域专业人士来说,并不像想象中的那么难,相关措施只要采取到位,安全性是可以保证的。

一位曾参与海射前期工作的人士向记者坦言,“虽然发射过程只有一瞬间,但此前的协调工作量极大。”

“未来海射应急发射能力会极大增强”

首次海上发射带来的挑战不仅存在于火箭发射环节,对于首批海射的7颗卫星而言亦是如此。

“客观地说,这是我国第一次进行海射,在已有条件下海射对卫星的环境适应性提出了更高要求。”长光卫星技术有限公司(下称“长光卫星”)“吉林一号”高分03A星总师陈茂胜告诉《中国经济周刊》记者。“吉林一号”高分03A星是首批海射的7颗卫星之一。

对于卫星公司而言,参与首次海上发射与以往的陆地发射有何不同?

陈茂胜向记者解释说,在陆地发射时,卫星在出厂后直接运往发射基地,此后的工作主要在发射场的技术区和发射区开展,地理位置非常接近。

“参与首次海射,以往在发射场技术区进行的工作其实是在北京某厂房中进行的,在进行技术测试、状态检查,完成星箭对接后,卫星随运载火箭一起经铁路、公路运输到达山东海阳港,再在海阳港完成以往在发射场发射区的工作,然后通过海运到达目标区域进行发射。”

陈茂胜向记者透露,首次海射的周期也比往常有所增长,“其实整个卫星测试工作还是遵循了快速测试的原则,在海阳港的测试只用了4个小时,在北京的测试大概进行了19个小时,但在运输上花费的时间要稍微长一些。”

同样参与首次海射的天仪研究院方面告诉记者,与以往地方发射不同的是,海上发射要求卫星提前25?30天装箭,一般情况则为提前15天。

但陈茂胜认为,随着首次实践验证完成,以后肯定会更快,“如果把技术区和发射区环境都改善了,卫星直接运到指定的港口,应急发射的能力应该会出现极大的增强。”

“我个人认为,未来的状况是在‘一南一北’各建一个航天港,现在的码头是临时拼凑的,将来要建设技术厂房,成为母港。”杨毅强告诉《中国经济周刊》记者,同时应该建设专用的海上发射船,把火箭和卫星的储存、火箭的测试、卫星的对接、发射和测控结为一体。

他认为,这种设想完全可以和“一带一路”倡议结合,东南亚、中东、欧洲有许多发射需求,海上发射船不需要靠岸,行驶到公海,用直升机把卫星吊上来进行发射。“现场估计不超过100人就可以完成。”

6 月5 日,天链测控北京中心,我国首次海射的测控现场。

节省成本!海射为商业航天带来了哪些可能?

作为中国航天领域的权威专业人士,杨毅强分析说,“一南一北”两个航天港中,位于北方的港口主要保障东射向发射,减缓内陆发射带来的疏散,以及国家发射任务与商业发射冲突的问题。

“我国的发射场多在内陆地区,决定了一些特殊射向的火箭发射难度较大,比如从酒泉向东发射火箭,就要经过华北、华东等人口稠密的地区。”

因为跨区域大,就会担心火箭残骸落到屋顶、农田的情况发生,“再加上以前荒无人烟的地方,现在经过开发后人口密度增大,所以落点越来越难找,海上发射应该是未来的一个趋势。”

而位于南方的航天港则主要满足低纬度的发射需求。

众所周知,纬度越低地球的自转速度越快,而如果火箭从赤道附近发射,能够最大限度地利用地球自转速度,节省推进剂消耗量,从而提高运载能力、降低发射成本。

这也是为什么俄罗斯“热衷”于海上发射的原因,其国内主要发射场普列谢茨克发射场位于北纬63度。2009年,海上发射公司曾宣布破产,在2010年重组后,俄罗斯方面的持股比例上升至95%。

据中国工程院院士、运载火箭专家龙乐豪测算,在文昌发射将比在西昌发射提高7.4%的有效载荷,为300多千克。

杨毅强向《中国经济周刊》记者介绍说,海南文昌发射场所在纬度尚有北纬19度,而在开展海射的前期准备工作时曾论证过到北纬两度的海域进行发射。

当然,并非所有轨道类型的卫星都以在靠近赤道的地区发射为最优选择。“如果发射太阳同步轨道卫星,在赤道附近发射的优势就不大。”杨毅强说。

“在赤道附近非常适合发射地球静止轨道卫星。”陈茂胜向《中国经济周刊》记者解释说,从发射场向东发射卫星时,可使卫星的飞行轨道与最终轨道靠近同一平面,节省机动到地球静止轨道所需的燃料。但并不是说在赤道附近发射就一定是最好的选择,其只是可获得地球最大自转速度。对于不同目标轨道要灵活选取发射地点,尽可能直接一步将卫星送到后续应该进入的轨道,这也是海射显著的优势。杨毅强也认为,陆地发射场的布局使得发射选择很受限,火箭对卫星轨道的适应性变差。

“目前地球静止轨道上的人造卫星多为通信卫星,我国东方红系列通信卫星位于地球静止轨道,但比如长光卫星此前发射的遥感卫星则主要位于太阳同步轨道。”陈茂胜说。

而有商业航天业内人士向记者透露,海射下一步可能会探索发射太阳同步轨道卫星,“这是目前国内很多卫星需要,或者更多使用的一个轨道,其技术难度也会有所提升。”

对于地球静止轨道的需求有多大的问题,杨毅强认为,很多时候需求和技术进步是互相驱动的,不是说有了市场需求再搞技术创新,也不是说技术创新必须以市场需求作为依据,“如果我们拥有了更多发射地球同步轨道卫星的能力,大家都会考虑怎么去用这个轨道。”

航天科技集团在介绍海射优势时亦表示,目前全球小倾角卫星数量越来越多,海上发射能有效破解我国陆地发射场难以满足0至19度倾角卫星发射需求的问题。

不可否认的是,海上发射通过灵活选取发射地点可以有效提升运载能力,从而降低发射成本。

“海射可以把同等重量的卫星送到更高的轨道或者是在同样的轨道上发射更大重量的卫星,从而降低卫星的发射成本。此外,随着发射渠道的增多,形成一定市场竞争,也必然会拉低发射成本。”陈茂胜说。

而有航天业内人士向记者直言,当初尝试海上发射的原因之一便是“省钱”,“租一条船,每天10万到15万,一周时间的花销在100万左右,而发射场的价格多在千万级别。”

商业测控网应用,商业航天迎“历史性突破”

“第一次海上发射是历史性的,对于商业航天领域来讲,这一天也是历史性的,商业测控公司历史上第一次全程保障一次火箭的发射。”杨毅强认为,从测控角度讲,今天标志着商业测控网由过去的试验、展示、验证,进入到一个工程可以实用的阶段了。

北京天链测控技术有限公司(下称“天链测控”)创始人兼CEO刘颖称其为商业航天“历史性的突破”,首次海射运载火箭全程商业测控任务由天链测控承担。

刘颖向《中国经济周刊》记者介绍说,对火箭的跟踪测量十分考验技术团队的实力,“与跟踪卫星不同,卫星入轨后,会按照预定轨道重复运转。每一圈都可以进行任务,无非是发送指令或接收数据稍有延迟。而火箭发射只有一次,飞行过程很短,对时效性和稳定性要求特别高。”

而要确保时效性,就需要合理根据火箭航程布局地面测控站,此次海射天链测控使用了现有11套测控设备中的4套。

据刘颖介绍,除一套固定站位于宁波外,另外3套皆为机动站,一套位于盐城,两套位于南太平洋,“位于南太平洋的测控站点非常重要,4次星箭分离均在该测控点的范围内,因此准备了两套设备,互为备份。”

海上发射对地面测控站的机动性要求在刘颖看来更高,“必须根据火箭发射的弹道来布设地面站,比如火箭往南发射,在北边布站没有意义。”除去对机动性要求的提高,首次海射测控面临的另一个问题便是有限的保障条件。

“海射平台上的保障措施有限,缺少相当一部分保障设备,而陆地上的发射场经过多年建设,通信网络、气象等保障措施比较完善,这是海上和地面一个很大的区别。”刘颖介绍说。

天链测控自从此次海射方案论证便已开展相关工作,“设备的测试调试经过了较长时间,特别是近半年来,我们全部都瞄准这个任务在准备。”刘颖介绍说。



2019年第12期《中国经济周刊》封面

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