SpaceX公司首个新建商业发射场的问题识别与分析

郭凤明 番绍炳 何基强 张龙

（蓝箭航天空间科技股份有限公司）

2014年9月，美国太空探索技术公司（SpaceX）的首个新建商业发射场—博卡奇卡（boca chica）发射场建设动工。目前，博卡奇卡已经有多项土建设施建设完工并投入使用。“星舰”（Starship）的SN系列试验也已在博卡奇卡完成低温爆破、跳跃等多项基础研发试验。本文根据SpaceX公司提交并通过审查的《环境影响评估》报告（EIS），结合常规运载火箭发射及发射场运营要面对的问题，对博卡奇卡发射场在执行首次入轨飞行试验前所面临的一些重要问题进行初步识别和分析。

1 前言

2014年6月，SpaceX公司与美国联邦航空局的商业航天运输办公室（FAA-AST）一起完成了《环境影响评估》(EIS)报告[1]。通过EIS报告，该公司获得了政府对建设博卡奇卡发射场的支持，其中包含了约3000万美元的财政奖励。SpaceX公司计划利用该奖励开发和运营发射场。作为回报，该公司承诺提供至少100个全职岗位，并在五年内提供至少2475万美元的薪资。根据EIS报告，并结合常规运载火箭发射及发射场运营情况可以预判，SpaceX公司在博卡奇卡新建商业发射场仍面临多方面问题。

2 爆炸风险控制及海上安全

运载火箭存在由于潜在问题而引发爆炸的风险。火箭爆炸可能会造成严重的设施损坏、人员伤亡和环境污染等影响。爆炸带来的危害因素包括爆炸超压、碎片撞击、可能的库区二次爆炸、有毒的废水废气等[2]。

博卡奇卡发射场位于美国德克萨斯州布朗斯维尔（Brownsvillle）以东，距离美国/墨西哥边境以北不到4.8km，火箭爆炸风险可能延伸至美/墨边境，引起边境争端。因此，博卡奇卡发射场可采用控制安全半径的方法来应对爆炸风险。

以博卡奇卡发射台为中心的半径2.4km内属于爆炸区。在火箭发射或推进剂加注后，此区域内将清除非必要人员。发射台半径4.3km内为禁水区（延伸美国/墨西哥边界）[1]，在火箭加注前需对禁水区域内的航行船只进行疏散。

博卡奇卡爆炸区域及禁水区

墨西哥湾还有大量运输船只和固定勘探平台等设施。在博卡奇卡发射场执行火箭发射，需重视该区域海上安全问题。博卡奇卡近海区域内，娱乐和商业捕鱼船只航行频繁，发射期间船只必须从危险区撤离。墨西哥湾内的远海区域，大型油轮、集装箱船、海上游轮等会因火箭子级和整流罩的坠落风险受到威胁。SpaceX公司在EIS报告中表示，将与美国海岸警卫队合作完成近海和远海水域在发射任务期间的安全疏散任务。由于火箭发射危险区域涉及墨西哥领海，该公司还需与墨西哥政府进行协调。

除海上船只外，墨西哥湾还有大量石油勘探、钻探和抽油平台[3]。虽然博卡奇卡发射场附近石油平台密度相对不大，但火箭飞行航区内的相关安全问题同样不容忽视。发射前，平台操作人员需提前撤离。此外，也可采用签署无害协议等方式，该方式主要为平台操作人员在接收到发射通知后，根据SpaceX公司提供的依据法规要求计算出的“人员伤亡预期”（Ec）数值，做出不撤离平台的决定，并签订承担相应的伤亡预期的协议。该办法已在加利福尼亚的范登堡空军基地进行的发射任务中实施。

3 发射射向范围及残骸落区

位于墨西哥湾西部的博卡奇卡发射场作为运载火箭入轨发射的起点，向南或向北发射，箭下点均会经过人口稠密的陆地城市。因此，博卡奇卡射向范围狭窄，仅仅有向东的射向选择，并沿途有岛屿需要避让。为避免飞越较多陆地，火箭从博卡奇卡发射后可沿佛罗里达和古巴之间（射向为93°～100°）或墨西哥尤卡坦半岛与古巴之间（射向为109°～115°）的狭窄水路飞行。因此，博卡奇卡发射场射向范围远小于美国佛罗里达州卡纳维拉尔角（Cape Canaveral）发射场。

SpaceX公司建造博卡奇卡发射场主要是为了开展地球静止轨道（GEO）卫星的商业发射。但其东北部为美国国土，东南部为墨西哥国土，人口稠密，因此很难支持更高倾角轨道的发射任务。由于地球自转所赋予的额外速度不同，地处较低纬度的博卡奇卡发射场相较于卡纳维拉尔角发射场可以提供更大的地球自转线速度。这本意味着博卡奇卡发射场能有更大的运载能力，但该优势会被飞行过程中调整轨道面，及为控制落区采用的高弹道方案损失的运载能力相抵消。与卡纳维拉尔角发射场不同，博卡奇卡发射场周边有多个人口稠密的区域。保护这些区域的安全，需要定义火箭飞行安全管道，超出管道的飞行要严格管控，通过箭上自主安控或人工远程安控形式终止飞行。安全管道的确定必须考虑火箭和有效载荷碎片在爆炸后的飞行路径。如在佛罗里达海峡，南北两侧陆地区域仅相隔约120海里（1海里=1.852千米，不包括任何岛屿），考虑碎片的飞行范围，安全管道将被进一步缩小，安全控制决策时间也将被进一步压缩。

博卡奇卡发射场与卡纳维拉尔角发射场射向范围

4 空中安全及飞控跟踪

博卡奇卡发射场执行火箭发射任务将面临复杂的空域情况。墨西哥湾附近有大量机场[4]，在美国、中美洲和南美洲之间还存在多个航线横穿墨西哥湾，航线由多个国内和国际控制中心管理，如临时改变，需进行多部门协调工作。EIS报告中提到，SpaceX公司将与美国联邦航空局的休斯敦航空交通管制中心（Houston Air Route Traffic Control Center）以及墨西哥通信与运输秘书处（Secretariat of Communications and Transportation）协调其发射窗口，以实现空域通关和交通路线调整，但预计协调工作极为复杂。

目前博卡奇卡发射场尚未执行发射入轨任务，也尚未正式实施运载火箭的目标跟踪、遥测数据下行、外弹道测量等。卡纳维拉尔角发射场在乔纳森·狄更森导弹测控基地（JDMTA）的跟踪站可以测控博卡奇卡发射场所发射运载火箭的后期阶段，但无法覆盖火箭入轨前的整条弹道。EIS报告中指出，SpaceX公司与德克萨斯大学布朗斯维尔分校（University of Texas at Brownsville）合作，为博卡奇卡发射场附近提供相控阵雷达跟踪能力，然而该方案也可能无法满足远场测控要求。现阶段SpaceX公司还需为入轨前整条弹道的目标跟踪和数据上下行进行通盘考虑。

5 自然环境

火箭升空过程中，需喷射大量淡水到导流槽内，以抑制噪音和振动，并对导流面施加保护。SpaceX公司计划在博卡奇卡发射台附近的水塔中储存淡水。但由于德克萨斯州缺少淡水，因此只能依靠卡车运输。SpaceX公司需保证维持足够的淡水供应量来支持火箭测试及发射。

飓风是博卡奇卡发射场需要面临的恶劣因素。EIS报告中提到“自1851年以来，德克萨斯州的墨西哥湾海岸共遭受了63次飓风袭击，几乎每三年发生一次。自2000年以来，有13次飓风和热带风暴袭击了德克萨斯州沿海”。此外，该发射场地面或高空的风可能转移及扩大碎屑抛落的危险区域（包括进入墨西哥领土）。

重大的风浪危害也是SpaceX公司需要考虑的问题，包括风浪对于发射场周围海滩的侵蚀，以及冲刷道路和非高架设施的可能。

6 国际因素

博卡奇卡发射场靠近美/墨边境，而墨西哥东北部边境的塔毛利帕斯州（Tamaulipas）极端暴力犯罪活动频发，暴力事件一直蔓延至德克萨斯州东南部的边境。因此，发射场的硬件设施、数据、人员的安全性值得SpaceX公司关注。

另一个潜在的问题涉及古巴和其他加勒比国家。目前，美国执行《国际武器贸易条例》（ITAR）和“导弹技术控制制度”（MTCR），对高科技产品或相关技术进行出口保护，火箭和卫星硬件在该条例和制度保护范围内，由此可见美国对相关技术的重视。如果火箭发射失败后或回收失败后掉入海中，其中的高科技产品可能会随着潮汐而漂移到古巴或其他国家海滩上，从而导致技术泄露问题。虽发生这种情况的概率较小，但也不容忽视。

7 结束语

博卡奇卡发射场在爆炸风险控制、海上及空中安全、射向范围和残骸落区、自然环境与国际因素方面均面临相关问题。但作为一个全新的发射场，其箭体室外焊接总装、工位无避雷塔设计、新型导流装置设计等技术细节，依然惊艳着业内人员。未来，博卡奇卡发射场会是SpaceX公司的“超重-星舰”（Superheavy-Starship）运输系统箭体制造、试验、发射的主要地点。SpaceX公司将在此掀起更大的商业航天浪潮。