海上发射

吴敏杰

1999年10月10日，由俄罗斯、美国、挪威和乌克兰四国合作成立的海上发射（Sea Launch）国际公司，在太平洋圣诞岛附近、西经154度的赤道水域，从“奥德赛”浮动式发射平台上，用“天顶”－3SL运载火箭，将一颗重约3.5吨的Direct TV1－R电视通信卫星成功地送入指定地球轨道。这是新的海上发射系统的首次商业发射，标志着海上发射——这一航天商业发射的后起之秀已经出现，而且也预示着未来航天商业发射市场的竞争将更加激烈。

可是事情并不象“海射”公司想象的那样一帆风顺，2000年3月12日，就在他们的第二次商业发射中出了事故。火箭发射后数分钟，地面与火箭失去联系，星箭一起坠落距发射地点4000多公里的太平洋中，所造成的损失达数亿美元。

本文比较全面地介绍了海上发射计划的来龙去脉、相关技术和装备，以及它的发展前景。

设想提出

制造海上发射装置的想法由来已久，早在1955年9月16日，前苏联的P－11ФМ弹道导弹就完成了从Б－67型潜艇上的发射，从而打破了弹道导弹从陆地发射的传统，首开了海上火箭发射的先河。当时提出这一设想的就是著名的苏联航天技术专家С·П·科罗廖夫。当然，在50年代，人们很难想象，制造海基火箭装置的想法在90年代的航天计划中会获得新生，得到新的发展和应用。

理论研究和实践均已证明，要想提高运载火箭的使用效能，同时又要降低发射成本，一个重要途径就是从靠近赤道的地区发射。因此，航天专家很自然地产生了制造浮动式海上火箭发射装置的想法。因为，在海洋上没有人居住，要在赤道附近找到理想的发射场地，要比在陆上容易得多。

60年代中期和70年代末，前苏联的运输机械制造设计局、“南方”设计局、中央机器制造和金属加工科学研究所，就曾对从浮动平台上发射火箭的可能性进行过研究，但由于受种种因素的制约，他们的研究未能变成现实。不过，科学家们并没有因此而停止在该领域的探索，他们利用几十年来在陆基航天发射领域积累的经验和在船舶制造领域所取得的最新科技成果，于1991年提出了建造海基火箭发射系统的建议。苏联解体后，由于俄罗斯经济一直不景气，因此专家们的建议迟迟没有得到政府回应。

等待并没有让俄罗斯的专家们看到经济复苏和建议被认可的希望。万般无奈之下，科罗廖夫“能源”科学综合体的专家们只好在1993年向美国波音公司“暗送秋波”，建议将海上发射作为双方合作的一个方面。波音公司对此非常感兴趣，于是一拍即合。

俄美合作开发海上发射项目，是从1993年3月俄罗斯向美国提出合作意向开始的。后来，又有新成员——挪威和乌克兰两国加入。到1995年5月，俄、美、挪、乌四方正式签署了成立海上发射联合企业的协议，海上发射方案才算真正落实，并正式开始启动。

海上发射跨国股份公司的最大股东是美国的波音公司，占40％的股份；其次是俄罗斯科罗廖夫“能源”科学生产联合体，占25％；欧洲最大的船舶制造公司挪威克瓦内尔造船厂，占20％；乌克兰的重要航空航天企业“南方”机械制造科学生产联合体／М·К·扬戈尔“南方”设计局，占15％。

主要优点

对于海上发射的可行性和市场前景，俄美专家和跨国股份公司都进行了充分论证。他们认为，与陆基发射相比，海上发射优点很多，具有重要的现实意义和良好的市场前景。

首先是从有关各个方面目前预测的情况来看，未来世界航天器发射服务市场的需求量是很大的，而现有地面发射或因发射费用高、或因服务质量差、或因总发射次数方面的限制，而无法完全满足用户的需求。

其次，由于海洋的地理条件允许，海上发射完全可实现从赤道上发射运载火箭，因此可最充分地利用地球的自转，提高火箭的运载能力。它能把重达5吨的有效载荷送入近地轨道。目前该系统采用的整流罩直径为4米，将来有可能采用5米直径的整流罩。

第三，海上发射系统具有较强的自主性和机动性，它能从中立海洋水域的任何地点进行发射，不仅发射地点可根据卫星轨道的要求选择，对发射方位实际上也没有什么限制，带来了使用上更高的灵活性。除用于发射地球同步轨道卫星外，也可利用其海上机动能力，发射中高轨道、高轨道及地球逃逸轨道等其它轨道的卫星。另外，该系统自成体系，不依赖由政府管理的发射和靶场设施，从而可避免因政治因素对航天发射活动所造成的影响，具有较高的操作自主性。同时，海上发射排除了划出发射场附近安全区的必要性，因为火箭升空后，各级火箭和整流罩鳞板的脱落地点一般都在海洋上，不会影响陆地居民的生活和工作。加上海上发射通常远离人口稠密区，万一发射失败，也不会危及居民及地面设施的安全。

第四，与陆基发射场不同的是，浮动式航天发射场设备完全可在良好的工厂条件下加工制造，而陆地发射场则必须在野外条件下进行，不但地面基建工程大，需要投入大量的人力物力。同时，海上发射系统不会占用大量的陆地地面，也不需要建造陆地航天发射场所衍生出来的道路、能源设施、医院、学校等生活保障系统。这就可大大减少发射基地的建设投入、工作人员和降低使用成本。

第五，俄罗斯和乌克兰的航天企业在研制、生产和使用现代运载火箭及其发射装置方面积累了丰富的经验，而这些火箭及其发射装置不仅成本低，而且使用可靠性高。

第六，如果海上发射点选在美国的长滩附近水域，这里离美国休斯航天与国际通信公司和劳拉航天系统公司都很近。这是两家重要的商业航天器制造商，可为航天器的生产、运输和发射创造便利条件。

最后一点，对用户和保险公司来讲，有著名的波音、克瓦内尔等大公司直接参与，以及美国、俄罗斯、乌克兰和挪威四国政府的鼎力支持，也是海上发射进展顺利和成功的保证。

技术难题

由于以前的航天发射多在陆地上进行，因此相对而言，陆地发射经验丰富、技术成熟，而海上发射基本上是一个新的领域，需要摸索。所以，在制订和实施海上发射方案的过程中，专家们遇到了许多相关的技术难题，例如：

如何使陆基火箭发射装置适应在船舶上的安装条件，并保障火箭充分发挥其功能，这要考虑到船舶平台面积方面的限制、各系统的相互配置、与轮船各系统的协调和海上转移条件等；

运载火箭和在海洋气候条件下的使用问题；

发射时如何使发射平台保持在指定状态以及所要求的地理位置上，位移误差不能超过50米；

运载火箭在浮动式平台上的“瞄准”问题；

运载火箭加注燃料和起重机在甲板上行走时如何使发射平台保持水平状态；

如何避免运载火箭在离开发射装置过程中对发射平台造成冲击，最大限度地减小火箭喷射流对发射平台的影响（在浪高2.5米时也能保障发射）;

如何从距发射平台近5公里的总装与指挥控制船上，通过无线电装置来控制运载火箭的发射准备与发射;

不同国家研制的无线电系统的兼容问题;

通过卫星转发器来传送遥测信息以及用通信卫星系统来控制DM级的飞行问题;

单个试验和综合性试验的组织与程序问题;

在不违背四国标准与准则的情况下，各种技术要求的相互匹配问题等。这些技术问题都需要进行研究和解决。Direct TV1－R电视通信卫星的成功发射，已经说明这些问题均已经或基本解决。

系统组成

海上发射系统主要由运载火箭、浮动装置和岸基设施三大部分组成。火箭系统指的是携带航天器的“天顶”－3SL运载火箭，浮动装置包括“奥德赛”发射平台、总装与指挥控制船，而岸基设施分别位于俄罗斯“能源”航天火箭综合体的普里莫尔斯克分厂和美国长滩的母港。海上发射系统的基础是发射平台、总装与指挥控制船和运载火箭。

发射平台

浮动式发射平台的名字“奥德赛”，源于古希腊诗人荷马的诗作，意为“漂泊历险”。发射平台的主建单位是俄罗斯的维堡造船厂。

维堡造船厂位于芬兰湾的北部海岸，距芬兰边界50公里。该厂于1993年实行股份制，1997年与挪威的克瓦内尔造船厂联营后，改称克瓦内尔－维堡造船公司。海上发射方案提出后，公司领导向来厂参观的航天工业部门的专家们，提出了利用维堡厂制造的半潜式浮动钻井平台进行海上发射的想法。在对这一建议进行仔细研究后，海上发射联营公司看上了曾在克瓦内尔－维堡厂完成修复工作的“奥德赛”半潜式海上钻井平台，并决定将其改装成用于发射商业卫星的海上平台。

原来的“奥德赛”钻井平台1982年造于日本，曾在北海用作海上石油钻井平台，后因一场火灾而报废，并被部分拆除。1991年至1992年，它在维堡造船厂进行了维修和改进。改进后，它变成了一个基础平台，再经补充装备就能用于多种目的。

“奥德赛”平台在维堡造船厂的改装工作于1998年6月结束。

改装后的“奥德赛”发射平台重31000吨，长133米、宽67米，从船底到直升机平台的高度58米、总高80米。发射平台从母港向发射海域航行过程中排水量17400吨，吃水深7.5米。为减小重型运载火箭在发射时的摇摆幅度，在抵达发射地点后，要向发射平台的桩腿内泵水，使其吃水深度达到21.5米。这时，发射平台的排水量增加到46000吨。这样发射平台在发射时的摆动幅度减小，稳定性大大提高。“奥德赛”发射平台为自行式，在海上航行时，与普通的轮船一样，其航速为12节。平台上，共有工作人员68人。

1998年6月22日，“奥德赛”发射平台离开维堡造船厂，前往挪威加装储备物资，而后使向其常驻地——美国加利福尼亚州的长滩港。它途经苏伊士运河和新加坡等地，一路长途跋涉，终于在1998年10月4日到达长滩。而“海射指挥官”总装与指挥控制船，在此之前就已到达这里。随后，发射平台与指挥控制船一道进行了独立试验和一体化试验。

总装与指挥控制船

浮动式总装与指挥控制船称之为“海上发射指挥官”，主要担负运载火箭准备与发射的指挥中心职能。船上安装有相应的系统与设备，以便在船上进行“天顶”号的两级运载火箭和DM级第三级火箭的综合试验，进行DM级高沸点燃料和气体的加注以及运载火箭的总装等，因而统称为总装与指挥控制船。

其主甲板下的大部分区域为开放的空间，由墙体隔开，但相互间有大门连通。“天顶”两级火箭和DM级火箭就是在这些隔间中进行射前处理的。船上设有火箭发射后的飞行控制指挥，以及遥测信息接收与处理设备。船上火箭系统和设备的安装工作在圣彼得堡的卡诺内尔的修船厂进行。与“奥德赛”发射平台一样，指挥控制船上也设有直升机起落平台，而且还设有直升机库和容量为15000升的油罐。

总装与指挥控制船能搭载240人，其中包括机组人员、发射准备与发射人员、“海射”公司及用户的代表。1998年7月，总装与指挥控制船从圣彼得堡起航驶抵长滩母港。

据海上发射项目负责人介绍，之所以除在发射平台外，还要另造一艘总装与指挥控制船，主要是为了考虑发射安全问题。有了总装与指挥控制船，发射人员就可以在发射前撤离发射平台。也正是因为要用两艘船舶，“海射”公司才决定把火箭的总装和指挥控制均放在该船上。要不然需要在母港另行建造一个火箭处理基地，如果这样做，其成本会更高。

总装与指挥控制船全长203米，宽32米，排水量26400吨，航速19.6节。

运载火箭

海上发射系统的运载火箭名为“天顶”－3SL（ЗЕНИТ－3SL），其中SL为英文“海上发射”（Sea Launch）的缩略语。它是由乌克兰“南方”设计局研制的“天顶”－2运载火箭和俄罗斯“能源”科学生产联合体研制的运载火箭的加速段DM级，共同组成的三级火箭。 “天顶”号运载火箭是前苏联运载火箭家族中一种较新的型号。1969年至1972年间，前苏联研制的H－1登月运载火箭，曾四次试射均告失败。“天顶”火箭是在此后研制的第一种全新的运载火箭，由设在乌克兰的“南方”机械制造科学生产联合体／“南方”制造设计局研制。于1985年4月，首次进行了亚轨道发射试验。同年10月22日，首次用于卫星发射。

“天顶”火箭有“天顶”－2和加装DM级的“天顶”－3两种型号。前者为二级火箭，后者为三级火箭。苏联解体后，“天顶”－2和DM级火箭分别属于乌克兰和俄罗斯两地。因此，“海射”公司使用的“天顶”－3SL运载火箭实际上就是原来的“天顶”－3或海射型“天顶”－3。实践已经证明，“天顶”－2和“天顶”－3火箭均具有较高的可靠性。所以，至今为止它们仍为拜科努尔发射场发射航天器时所使用。

“天顶”－3SL运载火箭所用燃料的主要成份是液氧和煤油。第一级火箭采用РД－171型发动机，与“能源”号巨型运载火箭四台捆绑式助推器所用的发动机相同。它用一个涡轮泵为4个带万向喷管的燃烧室输送燃料，其推力为7246千牛（海平面）。第二级火箭采用一台РД－120型单喷管发动机，推力916千牛，而且在第二级火箭后部装有一台РД－8型游动发动机，推力80千牛，用于提供三轴控制，它由一个涡轮泵供应4个万向喷管，与РД－120发动机共用燃料。DM级采用可摇摆的11Д58M型发动机，它是“质子”号运载火箭第四级的改进型，推力78千牛，可重新起动4次，由两台姿态控制发动机稳定，姿态控制发动机采用四氧化二氮／单甲基肼作燃料，每台有4个喷管，箭体四周各一个。

装上DM级和有效负载后，运载火箭的发射重量为470吨，总长60米。第一级火箭长32.9米，直径3.9米；第二级火箭长10.4米，直径3.9米；第三级火箭——DM级长4.9米，直径3.7米。有效载荷整流罩长11.39米，直径4.15米。

通常情况下，“天顶”－2火箭和DM级将由商船从俄罗斯和乌克兰运到位于加州长滩的母港，并存放在岸上的仓库里。

发射过程

海上发射系统的海上赤道发射场位于太平洋圣诞岛附近，西径154度的赤道海域。这里一年四季天气温和，风平浪静，很适于进行海上发射。

在启程前往这里前，要在长滩母港进行大量的准备工作。首先要将三级火箭从仓库中取出，并通过大型滚装板从船尾装到总装与指挥控制船上，以便进行射前处理。“天顶“－2火箭放在船体后部甲板下的一个大厅里。在这里，除要对第一、二级火箭进行处理外，随后还将用于全箭总装以及星箭对接。它能保障并排存放3枚完成总装的火箭，而且每枚火箭周围都有足够的工作空间。DM级在船体部甲板下一个较小的舱内进行垂直处理，处理工作的最后一个步骤是把该级火箭从垂直位置转到水平位置。整个处理程序耗时较长，需要23天时间。

卫星的处理工作与火箭处理同时进行，但卫星的处理地点是在母港岸上由波音公司建造的有效载荷处理设施内。其任务包括测试、与适配器对接、转至水平位置和封装到整流罩内等。完成处理后，卫星将被运到总装与指挥控制船上，并与火箭对接到一起。星箭对接工作需要两天半时间。

完成总装与星箭对接后，运载火箭将从总装与指挥控制船转移到发射平台上。为保证总装与指挥控制船和发射平台精确地对准在一条线上，转移工作一般要在风浪较小的时候进行。一般情况下，指挥控制船和发射平台分别停靠在码头的两侧。为转移火箭，指挥船要被拖到另一侧，使船尾面向发射平台的前端。为使两个船体保持精确对准，平台的后部被拴在岸边的两个柱子上，指挥控制船则在退向转移操作位置时下锚两次。两个船体要绑到一起并固定在码头上。

准备就绪后，火箭重新被推到延伸出去的水平位置滚装板上，发射平台火箭库底部的一道门打开，随后从发射平台上方放下来的两个吊钩钩住一、二级火箭的吊挂点，火箭被吊离滑台，并倒退着进入火箭库，最后放到运输和起竖装置上。“海射”公司为全箭及有效载荷向发射平台的转移工作安排的时间为2天，但实际吊运过程可能只需几个小时就能完成。

完成火箭转移后，发射平台与指挥控制船便可启程前往海上发射场。抵达后首先要用12～15小时的时间向发射平台的桩腿里泵水，使桩腿延伸下潜到发射压载深度，以提高发射平台的稳定性。第二天，两个船体之间将搭起一座便桥，供人员来往。发射前24小时，火箭将在计算机控制下从库中推出，并运送到平台后部的发射台处。

起飞前约5小时，火箭自动控制程序开始启动。再过1小时，开始自动加注燃料。加注前，发射平台上的大部分工作人员将分批沿便桥转移到总装与指挥控制船上。而后总装与指挥控制船撤到距发射平台5公里左右处。射前约3小时，发射平台上的全部人员（最后一般只剩下10～12人）将乘直升机转移到总装与指挥控制船上。这之后发射平台转由总装与指挥控制船上的控制中心遥控，点火前17分钟，起竖装置将从火箭上撤下，并移至火箭库，库房大门和棚顶随之关闭。

火箭起飞后，第一级火箭工作144秒，而后脱离并坠落在下靶场800公里外的海域。第二级火箭402秒后脱离并坠落在距发射场约4600公里的海面上。第二级火箭点火1分钟时，有效载荷整流罩鱼鳞板脱落，将坠落在距发射场将近1000米的地方。DM级将在起飞后第523秒首次点火工作，把卫星送入静止轨道。起飞后第2850秒时，DM级将再次点火，把卫星送入近地转移轨道。星箭分离将在第3721秒时完成，分离约1小时后，DM级要进行一次机动，目的是防止与卫星相撞。

前景展望

据公司的有关人士认为，无论是技术的创新性，还是投资方法的独特性，海上发射方案都是史无前例的，其首次试验发射和首次商业发射的成功也证明了，该方案在世界航天商业发射市场上其发展前景是令人乐观的。

公司还透露，现有订单可保障海上发射系统在2～3年内的满负荷运转。到目前为止，“海射”公司已从美国休斯空间与通信公司、劳拉空间系统公司和ICO全球通信公司拿到了18次发射任务的合同。虽然ICO公司后来取消了其中的两次发射，其完全确定的订单至少有16份。如果按目前每年发射6次的计划安排，基本可保证3年内，“海射”公司有事做。

根据现有计划，发射平台从母港到发射场往返一次大约需要21天，按每次发射后发射平台都返回母港计算，海上发射系统每发射一次至少需要55天时间，这样每年大约可发射6次左右。但是这不是最高效率的安排，如果再精打细算进行规划，年发射次数可增至8次。不过，要达到每年10～12次的发射次数，发射平台则需停在发射区域内，或让指挥船在每次驶往赤道发射场时装载2～3枚火箭。

“海射”公司的设想和愿望是良好的，但实际中未必一帆风顺。从1999年3月28日成功地进行了首次海上发射后就开始商业发射，去年10月10日的第一次商业发射是成功的，今年3月12日这次就失败了。火箭发射数分钟后，地面与火箭联系中断，随后星箭一起坠入大海。这次发射的航天器是英国ICO全球通信公司的通信卫星，由美国休斯公司制造。据介绍，失事星箭可能坠落在距发射地点4000多公里的太平洋里，总损失数亿美元。所幸的是没有造成人员伤亡，发射平台和指挥控制船也无损坏。此次事故对今后的有多大影响尚不得而知。■