海上發射

吳敏杰

1999年10月10日，由俄羅斯、美國、挪威和烏克蘭四國合作成立的海上發射（Sea Launch）國際公司，在太平洋圣誕島附近、西經154度的赤道水域，從“奧德賽”浮動式發射平臺上，用“天頂”－3SL運載火箭，將一顆重約3.5噸的Direct TV1－R電視通信衛星成功地送入指定地球軌道。這是新的海上發射系統的首次商業發射，標志著海上發射——這一航天商業發射的后起之秀已經出現，而且也預示著未來航天商業發射市場的競爭將更加激烈。

可是事情并不象“海射”公司想象的那樣一帆風順，2000年3月12日，就在他們的第二次商業發射中出了事故。火箭發射后數分鐘，地面與火箭失去聯系，星箭一起墜落距發射地點4000多公里的太平洋中，所造成的損失達數億美元。

本文比較全面地介紹了海上發射計劃的來龍去脈、相關技術和裝備，以及它的發展前景。

設想提出

制造海上發射裝置的想法由來已久，早在1955年9月16日，前蘇聯的P－11ФМ彈道導彈就完成了從Б－67型潛艇上的發射，從而打破了彈道導彈從陸地發射的傳統，首開了海上火箭發射的先河。當時提出這一設想的就是著名的蘇聯航天技術專家С·П·科羅廖夫。當然，在50年代，人們很難想象，制造海基火箭裝置的想法在90年代的航天計劃中會獲得新生，得到新的發展和應用。

理論研究和實踐均已證明，要想提高運載火箭的使用效能，同時又要降低發射成本，一個重要途徑就是從靠近赤道的地區發射。因此，航天專家很自然地產生了制造浮動式海上火箭發射裝置的想法。因為，在海洋上沒有人居住，要在赤道附近找到理想的發射場地，要比在陸上容易得多。

60年代中期和70年代末，前蘇聯的運輸機械制造設計局、“南方”設計局、中央機器制造和金屬加工科學研究所，就曾對從浮動平臺上發射火箭的可能性進行過研究，但由于受種種因素的制約，他們的研究未能變成現實。不過，科學家們并沒有因此而停止在該領域的探索，他們利用幾十年來在陸基航天發射領域積累的經驗和在船舶制造領域所取得的最新科技成果，于1991年提出了建造海基火箭發射系統的建議。蘇聯解體后，由于俄羅斯經濟一直不景氣，因此專家們的建議遲遲沒有得到政府回應。

等待并沒有讓俄羅斯的專家們看到經濟復蘇和建議被認可的希望。萬般無奈之下，科羅廖夫“能源”科學綜合體的專家們只好在1993年向美國波音公司“暗送秋波”，建議將海上發射作為雙方合作的一個方面。波音公司對此非常感興趣，于是一拍即合。

俄美合作開發海上發射項目，是從1993年3月俄羅斯向美國提出合作意向開始的。后來，又有新成員——挪威和烏克蘭兩國加入。到1995年5月，俄、美、挪、烏四方正式簽署了成立海上發射聯合企業的協議，海上發射方案才算真正落實，并正式開始啟動。

海上發射跨國股份公司的最大股東是美國的波音公司，占40％的股份；其次是俄羅斯科羅廖夫“能源”科學生產聯合體，占25％；歐洲最大的船舶制造公司挪威克瓦內爾造船廠，占20％；烏克蘭的重要航空航天企業“南方”機械制造科學生產聯合體／М·К·揚戈爾“南方”設計局，占15％。

主要優點

對于海上發射的可行性和市場前景，俄美專家和跨國股份公司都進行了充分論證。他們認為，與陸基發射相比，海上發射優點很多，具有重要的現實意義和良好的市場前景。

首先是從有關各個方面目前預測的情況來看，未來世界航天器發射服務市場的需求量是很大的，而現有地面發射或因發射費用高、或因服務質量差、或因總發射次數方面的限制，而無法完全滿足用戶的需求。

其次，由于海洋的地理條件允許，海上發射完全可實現從赤道上發射運載火箭，因此可最充分地利用地球的自轉，提高火箭的運載能力。它能把重達5噸的有效載荷送入近地軌道。目前該系統采用的整流罩直徑為4米，將來有可能采用5米直徑的整流罩。

第三，海上發射系統具有較強的自主性和機動性，它能從中立海洋水域的任何地點進行發射，不僅發射地點可根據衛星軌道的要求選擇，對發射方位實際上也沒有什么限制，帶來了使用上更高的靈活性。除用于發射地球同步軌道衛星外，也可利用其海上機動能力，發射中高軌道、高軌道及地球逃逸軌道等其它軌道的衛星。另外，該系統自成體系，不依賴由政府管理的發射和靶場設施，從而可避免因政治因素對航天發射活動所造成的影響，具有較高的操作自主性。同時，海上發射排除了劃出發射場附近安全區的必要性，因為火箭升空后，各級火箭和整流罩鱗板的脫落地點一般都在海洋上，不會影響陸地居民的生活和工作。加上海上發射通常遠離人口稠密區，萬一發射失敗，也不會危及居民及地面設施的安全。

第四，與陸基發射場不同的是，浮動式航天發射場設備完全可在良好的工廠條件下加工制造，而陸地發射場則必須在野外條件下進行，不但地面基建工程大，需要投入大量的人力物力。同時，海上發射系統不會占用大量的陸地地面，也不需要建造陸地航天發射場所衍生出來的道路、能源設施、醫院、學校等生活保障系統。這就可大大減少發射基地的建設投入、工作人員和降低使用成本。

第五，俄羅斯和烏克蘭的航天企業在研制、生產和使用現代運載火箭及其發射裝置方面積累了豐富的經驗，而這些火箭及其發射裝置不僅成本低，而且使用可靠性高。

第六，如果海上發射點選在美國的長灘附近水域，這里離美國休斯航天與國際通信公司和勞拉航天系統公司都很近。這是兩家重要的商業航天器制造商，可為航天器的生產、運輸和發射創造便利條件。

最后一點，對用戶和保險公司來講，有著名的波音、克瓦內爾等大公司直接參與，以及美國、俄羅斯、烏克蘭和挪威四國政府的鼎力支持，也是海上發射進展順利和成功的保證。

技術難題

由于以前的航天發射多在陸地上進行，因此相對而言，陸地發射經驗豐富、技術成熟，而海上發射基本上是一個新的領域，需要摸索。所以，在制訂和實施海上發射方案的過程中，專家們遇到了許多相關的技術難題，例如：

如何使陸基火箭發射裝置適應在船舶上的安裝條件，并保障火箭充分發揮其功能，這要考慮到船舶平臺面積方面的限制、各系統的相互配置、與輪船各系統的協調和海上轉移條件等；

運載火箭和在海洋氣候條件下的使用問題；

發射時如何使發射平臺保持在指定狀態以及所要求的地理位置上，位移誤差不能超過50米；

運載火箭在浮動式平臺上的“瞄準”問題；

運載火箭加注燃料和起重機在甲板上行走時如何使發射平臺保持水平狀態；

如何避免運載火箭在離開發射裝置過程中對發射平臺造成沖擊，最大限度地減小火箭噴射流對發射平臺的影響（在浪高2.5米時也能保障發射）;

如何從距發射平臺近5公里的總裝與指揮控制船上，通過無線電裝置來控制運載火箭的發射準備與發射;

不同國家研制的無線電系統的兼容問題;

通過衛星轉發器來傳送遙測信息以及用通信衛星系統來控制DM級的飛行問題;

單個試驗和綜合性試驗的組織與程序問題;

在不違背四國標準與準則的情況下，各種技術要求的相互匹配問題等。這些技術問題都需要進行研究和解決。Direct TV1－R電視通信衛星的成功發射，已經說明這些問題均已經或基本解決。

系統組成

海上發射系統主要由運載火箭、浮動裝置和岸基設施三大部分組成。火箭系統指的是攜帶航天器的“天頂”－3SL運載火箭，浮動裝置包括“奧德賽”發射平臺、總裝與指揮控制船，而岸基設施分別位于俄羅斯“能源”航天火箭綜合體的普里莫爾斯克分廠和美國長灘的母港。海上發射系統的基礎是發射平臺、總裝與指揮控制船和運載火箭。

發射平臺

浮動式發射平臺的名字“奧德賽”，源于古希臘詩人荷馬的詩作，意為“漂泊歷險”。發射平臺的主建單位是俄羅斯的維堡造船廠。

維堡造船廠位于芬蘭灣的北部海岸，距芬蘭邊界50公里。該廠于1993年實行股份制，1997年與挪威的克瓦內爾造船廠聯營后，改稱克瓦內爾－維堡造船公司。海上發射方案提出后，公司領導向來廠參觀的航天工業部門的專家們，提出了利用維堡廠制造的半潛式浮動鉆井平臺進行海上發射的想法。在對這一建議進行仔細研究后，海上發射聯營公司看上了曾在克瓦內爾－維堡廠完成修復工作的“奧德賽”半潛式海上鉆井平臺，并決定將其改裝成用于發射商業衛星的海上平臺。

原來的“奧德賽”鉆井平臺1982年造于日本，曾在北海用作海上石油鉆井平臺，后因一場火災而報廢，并被部分拆除。1991年至1992年，它在維堡造船廠進行了維修和改進。改進后，它變成了一個基礎平臺，再經補充裝備就能用于多種目的。

“奧德賽”平臺在維堡造船廠的改裝工作于1998年6月結束。

改裝后的“奧德賽”發射平臺重31000噸，長133米、寬67米，從船底到直升機平臺的高度58米、總高80米。發射平臺從母港向發射海域航行過程中排水量17400噸，吃水深7.5米。為減小重型運載火箭在發射時的搖擺幅度，在抵達發射地點后，要向發射平臺的樁腿內泵水，使其吃水深度達到21.5米。這時，發射平臺的排水量增加到46000噸。這樣發射平臺在發射時的擺動幅度減小，穩定性大大提高。“奧德賽”發射平臺為自行式，在海上航行時，與普通的輪船一樣，其航速為12節。平臺上，共有工作人員68人。

1998年6月22日，“奧德賽”發射平臺離開維堡造船廠，前往挪威加裝儲備物資，而后使向其常駐地——美國加利福尼亞州的長灘港。它途經蘇伊士運河和新加坡等地，一路長途跋涉，終于在1998年10月4日到達長灘。而“海射指揮官”總裝與指揮控制船，在此之前就已到達這里。隨后，發射平臺與指揮控制船一道進行了獨立試驗和一體化試驗。

總裝與指揮控制船

浮動式總裝與指揮控制船稱之為“海上發射指揮官”，主要擔負運載火箭準備與發射的指揮中心職能。船上安裝有相應的系統與設備，以便在船上進行“天頂”號的兩級運載火箭和DM級第三級火箭的綜合試驗，進行DM級高沸點燃料和氣體的加注以及運載火箭的總裝等，因而統稱為總裝與指揮控制船。

其主甲板下的大部分區域為開放的空間，由墻體隔開，但相互間有大門連通。“天頂”兩級火箭和DM級火箭就是在這些隔間中進行射前處理的。船上設有火箭發射后的飛行控制指揮，以及遙測信息接收與處理設備。船上火箭系統和設備的安裝工作在圣彼得堡的卡諾內爾的修船廠進行。與“奧德賽”發射平臺一樣，指揮控制船上也設有直升機起落平臺，而且還設有直升機庫和容量為15000升的油罐。

總裝與指揮控制船能搭載240人，其中包括機組人員、發射準備與發射人員、“海射”公司及用戶的代表。1998年7月，總裝與指揮控制船從圣彼得堡起航駛抵長灘母港。

據海上發射項目負責人介紹，之所以除在發射平臺外，還要另造一艘總裝與指揮控制船，主要是為了考慮發射安全問題。有了總裝與指揮控制船，發射人員就可以在發射前撤離發射平臺。也正是因為要用兩艘船舶，“海射”公司才決定把火箭的總裝和指揮控制均放在該船上。要不然需要在母港另行建造一個火箭處理基地，如果這樣做，其成本會更高。

總裝與指揮控制船全長203米，寬32米，排水量26400噸，航速19.6節。

運載火箭

海上發射系統的運載火箭名為“天頂”－3SL（ЗЕНИТ－3SL），其中SL為英文“海上發射”（Sea Launch）的縮略語。它是由烏克蘭“南方”設計局研制的“天頂”－2運載火箭和俄羅斯“能源”科學生產聯合體研制的運載火箭的加速段DM級，共同組成的三級火箭。 “天頂”號運載火箭是前蘇聯運載火箭家族中一種較新的型號。1969年至1972年間，前蘇聯研制的H－1登月運載火箭，曾四次試射均告失敗。“天頂”火箭是在此后研制的第一種全新的運載火箭，由設在烏克蘭的“南方”機械制造科學生產聯合體／“南方”制造設計局研制。于1985年4月，首次進行了亞軌道發射試驗。同年10月22日，首次用于衛星發射。

“天頂”火箭有“天頂”－2和加裝DM級的“天頂”－3兩種型號。前者為二級火箭，后者為三級火箭。蘇聯解體后，“天頂”－2和DM級火箭分別屬于烏克蘭和俄羅斯兩地。因此，“海射”公司使用的“天頂”－3SL運載火箭實際上就是原來的“天頂”－3或海射型“天頂”－3。實踐已經證明，“天頂”－2和“天頂”－3火箭均具有較高的可靠性。所以，至今為止它們仍為拜科努爾發射場發射航天器時所使用。

“天頂”－3SL運載火箭所用燃料的主要成份是液氧和煤油。第一級火箭采用РД－171型發動機，與“能源”號巨型運載火箭四臺捆綁式助推器所用的發動機相同。它用一個渦輪泵為4個帶萬向噴管的燃燒室輸送燃料，其推力為7246千牛（海平面）。第二級火箭采用一臺РД－120型單噴管發動機，推力916千牛，而且在第二級火箭后部裝有一臺РД－8型游動發動機，推力80千牛，用于提供三軸控制，它由一個渦輪泵供應4個萬向噴管，與РД－120發動機共用燃料。DM級采用可搖擺的11Д58M型發動機，它是“質子”號運載火箭第四級的改進型，推力78千牛，可重新起動4次，由兩臺姿態控制發動機穩定，姿態控制發動機采用四氧化二氮／單甲基肼作燃料，每臺有4個噴管，箭體四周各一個。

裝上DM級和有效負載后，運載火箭的發射重量為470噸，總長60米。第一級火箭長32.9米，直徑3.9米；第二級火箭長10.4米，直徑3.9米；第三級火箭——DM級長4.9米，直徑3.7米。有效載荷整流罩長11.39米，直徑4.15米。

通常情況下，“天頂”－2火箭和DM級將由商船從俄羅斯和烏克蘭運到位于加州長灘的母港，并存放在岸上的倉庫里。

發射過程

海上發射系統的海上赤道發射場位于太平洋圣誕島附近，西徑154度的赤道海域。這里一年四季天氣溫和，風平浪靜，很適于進行海上發射。

在啟程前往這里前，要在長灘母港進行大量的準備工作。首先要將三級火箭從倉庫中取出，并通過大型滾裝板從船尾裝到總裝與指揮控制船上，以便進行射前處理。“天頂“－2火箭放在船體后部甲板下的一個大廳里。在這里，除要對第一、二級火箭進行處理外，隨后還將用于全箭總裝以及星箭對接。它能保障并排存放3枚完成總裝的火箭，而且每枚火箭周圍都有足夠的工作空間。DM級在船體部甲板下一個較小的艙內進行垂直處理，處理工作的最后一個步驟是把該級火箭從垂直位置轉到水平位置。整個處理程序耗時較長，需要23天時間。

衛星的處理工作與火箭處理同時進行，但衛星的處理地點是在母港岸上由波音公司建造的有效載荷處理設施內。其任務包括測試、與適配器對接、轉至水平位置和封裝到整流罩內等。完成處理后，衛星將被運到總裝與指揮控制船上，并與火箭對接到一起。星箭對接工作需要兩天半時間。

完成總裝與星箭對接后，運載火箭將從總裝與指揮控制船轉移到發射平臺上。為保證總裝與指揮控制船和發射平臺精確地對準在一條線上，轉移工作一般要在風浪較小的時候進行。一般情況下，指揮控制船和發射平臺分別停靠在碼頭的兩側。為轉移火箭，指揮船要被拖到另一側，使船尾面向發射平臺的前端。為使兩個船體保持精確對準，平臺的后部被拴在岸邊的兩個柱子上，指揮控制船則在退向轉移操作位置時下錨兩次。兩個船體要綁到一起并固定在碼頭上。

準備就緒后，火箭重新被推到延伸出去的水平位置滾裝板上，發射平臺火箭庫底部的一道門打開，隨后從發射平臺上方放下來的兩個吊鉤鉤住一、二級火箭的吊掛點，火箭被吊離滑臺，并倒退著進入火箭庫，最后放到運輸和起豎裝置上。“海射”公司為全箭及有效載荷向發射平臺的轉移工作安排的時間為2天，但實際吊運過程可能只需幾個小時就能完成。

完成火箭轉移后，發射平臺與指揮控制船便可啟程前往海上發射場。抵達后首先要用12～15小時的時間向發射平臺的樁腿里泵水，使樁腿延伸下潛到發射壓載深度，以提高發射平臺的穩定性。第二天，兩個船體之間將搭起一座便橋，供人員來往。發射前24小時，火箭將在計算機控制下從庫中推出，并運送到平臺后部的發射臺處。

起飛前約5小時，火箭自動控制程序開始啟動。再過1小時，開始自動加注燃料。加注前，發射平臺上的大部分工作人員將分批沿便橋轉移到總裝與指揮控制船上。而后總裝與指揮控制船撤到距發射平臺5公里左右處。射前約3小時，發射平臺上的全部人員（最后一般只剩下10～12人）將乘直升機轉移到總裝與指揮控制船上。這之后發射平臺轉由總裝與指揮控制船上的控制中心遙控，點火前17分鐘，起豎裝置將從火箭上撤下，并移至火箭庫，庫房大門和棚頂隨之關閉。

火箭起飛后，第一級火箭工作144秒，而后脫離并墜落在下靶場800公里外的海域。第二級火箭402秒后脫離并墜落在距發射場約4600公里的海面上。第二級火箭點火1分鐘時，有效載荷整流罩魚鱗板脫落，將墜落在距發射場將近1000米的地方。DM級將在起飛后第523秒首次點火工作，把衛星送入靜止軌道。起飛后第2850秒時，DM級將再次點火，把衛星送入近地轉移軌道。星箭分離將在第3721秒時完成，分離約1小時后，DM級要進行一次機動，目的是防止與衛星相撞。

前景展望

據公司的有關人士認為，無論是技術的創新性，還是投資方法的獨特性，海上發射方案都是史無前例的，其首次試驗發射和首次商業發射的成功也證明了，該方案在世界航天商業發射市場上其發展前景是令人樂觀的。

公司還透露，現有訂單可保障海上發射系統在2～3年內的滿負荷運轉。到目前為止，“海射”公司已從美國休斯空間與通信公司、勞拉空間系統公司和ICO全球通信公司拿到了18次發射任務的合同。雖然ICO公司后來取消了其中的兩次發射，其完全確定的訂單至少有16份。如果按目前每年發射6次的計劃安排，基本可保證3年內，“海射”公司有事做。

根據現有計劃，發射平臺從母港到發射場往返一次大約需要21天，按每次發射后發射平臺都返回母港計算，海上發射系統每發射一次至少需要55天時間，這樣每年大約可發射6次左右。但是這不是最高效率的安排，如果再精打細算進行規劃，年發射次數可增至8次。不過，要達到每年10～12次的發射次數，發射平臺則需停在發射區域內，或讓指揮船在每次駛往赤道發射場時裝載2～3枚火箭。

“海射”公司的設想和愿望是良好的，但實際中未必一帆風順。從1999年3月28日成功地進行了首次海上發射后就開始商業發射，去年10月10日的第一次商業發射是成功的，今年3月12日這次就失敗了。火箭發射數分鐘后，地面與火箭聯系中斷，隨后星箭一起墜入大海。這次發射的航天器是英國ICO全球通信公司的通信衛星，由美國休斯公司制造。據介紹，失事星箭可能墜落在距發射地點4000多公里的太平洋里，總損失數億美元。所幸的是沒有造成人員傷亡，發射平臺和指揮控制船也無損壞。此次事故對今后的有多大影響尚不得而知。■