文昌，中国的卡纳维拉尔角
文/卢志鎏
2014年年末，我国新一代中型运载火箭——长征七号首枚合练箭自位于天津滨海新区的中国运载火箭技术研究院天津航天长征火箭制造有限公司厂区启程，搭乘远望21号火箭运输船奔赴海南文昌航天发射场。这枚合练箭是文昌发射场迎来的首个航天器，其主要任务是与发射场系统等进行演练，考核火箭与各系统接口之间的关系。可以说，随着它的进场，文昌发射场迎来了建成以来的第一次大考。
海南文昌航天发射场位于海南岛的最东端的海南省文昌市龙楼镇，于2009年9月14日正式开工，2014年年初竣工，是我国继酒泉、太原、西昌卫星发射中心之后第四个航天发射场。文昌发射场自立项以来，就受到外界的密切关注，甚至在发射场建设工程还没有开工之时，便有航天爱好者前往发射场场址一探究竟。由于发射场东朝大海，与位于美国佛罗里达州卡纳维拉尔角的肯尼迪航天中心风景非常相似，因而也被一些媒体与爱好者称作“中国的卡纳维拉尔角”。当然，选择海南文昌建设我国新航天发射场并不是为了那里优美的风景，这个选择的背后也有着诸多因素的综合考量。
选址海南岛
航天发射场的主要服务对象是航天器与发射载具，因而在发射场的选址与建设上，必须考虑到航天器与发射载具的需求。在航天飞机退役后，世界范围内发射载具便只剩下了火箭，而不同的火箭由于各自结构、动力、弹道等方面的差异，对于发射场的要求也不尽相同，即使都在同一发射场发射，也往往需要不同的发射勤务机构来支持。欧洲空间局位于法属圭亚那的库鲁发射场，为了发射“联盟”-ST运载火箭，按照运载火箭的需求特地新建了专门的发射设施。肯尼迪航天中心为了支持新的发射载具，也对原来航天飞机使用的39A、39B发射设施进行了大规模的改造， 而39A、39B两个发射设施，最早是用来发射“阿波罗”计划中的“土星”5号运载火箭的，在发射航天飞机之前，也针对航天飞机的要求进行了改造。
随着我国的航天事业不断发展，对于发射载具的运力需求也在不断增大，现有发射载具的潜力几乎挖掘殆尽，因此在进入21世纪后我国先后立项研发了新一代运载火箭“长征”五号、六号、七号运载火箭。新一代运载火箭均采用以液氧/煤油或液氧/液氢为推进剂的发动机，而我国之前的运载火箭多采用偏二甲肼/四氧化二氮为推进剂的发动机，这就导致了酒泉、太原、西昌3个发射中心的发射设施无法对新一代运载火箭进行支持。当然，如果像美国那样对现存发射设施进行相关改造，箭体直径仍沿用上一代运载火箭3.35米的“长征”六号、七号运载火箭也可以在之前的3个卫星发射中心执行任务，但“长征”五号却只能另寻发射场地，原因十分简单：我国的酒泉、太原、西昌3个发射场建设年代较早，受到当年国际形势与国家安全的影响，不是位于西北的戈壁滩上就是位于晋西北与川西的大山深处，交通极为不便，火箭的运输只能通过铁路，3.35米这个数据正是铁路运输所能允许的最大箭体直径，因此我国之前的火箭箭体直径最大只有3.35米。
如果箭体直径被限制，那么大幅提升运力会非常困难，一是因为小直径箭体无法容纳大推力发动机与过大直径的载荷；二是受结构与控制等方面限制，运载火箭的长径比不能过大，也就是说，在直径确定的情况下箭体不能过长，这就导致在3.35米直径的限制下，火箭所携带的燃料有一定上限，运力提升也有一定限制。所以为了获得更高的运力，“长征”五号箭体直径达到了5米，是新一代运载火箭中的体量最大、运力最强的一个型号。因此，通过铁路运输“长征”五号到发射场不再可能，海运成了唯一的选择，这就要求新发射场要位于沿海地区，方便火箭的运输。
我国拥有1.8万千米的大陆海岸线与1.4万千米岛屿海岸线，为何选择在海南的文昌建设发射场呢？一个重要的原因就是纬度。纬度越低，绕自转轴旋转的线速度越大，利用这一速度可在一定程度上提升运载火箭的运力。前面提到的俄罗斯“联盟”-ST运载火箭从北纬5°的库鲁发射场发射时运力要比从北纬46°的拜科努尔发射场发射时运力有显著提升。更为极端的一个例子就是海射公司，海射（Sea Launch）顾名思义就是从海上发射运载火箭，这家公司火箭将“天顶”号运载火箭装载在一艘名叫“海射指挥者”号的运输指挥船上，发射前与一个由海上石油钻井平台改建而成的海上发射平台“奥德赛”号一同机动到赤道附近海域，然后将火箭从“海射指挥者”转移到“奥德赛”上起竖发射升空。海射公司如此折腾的目的，就是为了充分运用地球自转，提高运载能力。
除了上述原因，航天发射场对于地质、气象、陆地规模、周边人口等因素也有考量。文昌的另一大优势就是从这里向地球同步转移轨道、太阳同步轨道等近地轨道、发射有效载荷，火箭残骸的主要落区都位于大洋深处，不会出现我国之前3个内陆发射场为了尽量减少人员财产损失，在每次发射前推算火箭残骸落区，疏散地面群众的情况。一些人从纬度的角度考虑，曾提出在西沙甚至南沙群岛建立发射场，但西沙、南沙群岛岛礁面积太小，无法布置发射场的各类设施，且南中国海海域天气多变，对航天发射影响较大，因此虽然纬度更低，但是并不适合作为发射场场址。
海射公司在赤道附近海面发射火箭时场景。这样的目的是为了利用地球自转获得最大运载能力。
应用新技术
作为新一代运载火箭的配套工程，文昌航天发射场不仅选址是全新的，很多技术也是在国内发射场中首次应用。文昌发射场目前已经建成两个发射工位，分别适配“长征”五号与“长征”七号运载火箭，两个发射塔架通过转运轨道，与3千米外的两座垂直总装厂房相连接，移动发射平台就在这条轨道上进行移动。运载火箭与载荷在垂直总装厂房进行组装、测试，然后通过移动发射平台，垂直转运到发射工位，并在工位上进行发射前的相关测试与燃料加注，最后发射。这一模式之前已经在酒泉卫星发射中心的载人航天发射工位应用过，也就是大家熟知的“三垂模式”（垂直组装、垂直测试、垂直转运），这里面又有什么新技术呢？
新技术之一就是固定在移动发射平台上的脐带塔。脐带塔在我国的航天发射场中并非首次运用，但是将脐带塔与移动发射平台结合在一起却是第一次。有了平台上的脐带塔，工作人员在垂直总装厂房里就可以完成脐带塔和火箭的液路、电路连接，然后和火箭一起整体转运到发射台，这样做的优势是，星箭总装后的组合体与地面连接状态（电、气、液）在发射之前都不发生改变，星箭组合体转移到发射工位后直接将移动发射平台上的有关接口连接到地面即可，提高了发射可靠性和自动化水平，简化阵地操作，使发射准备过程更加快捷高效。而发射工位上配套的勤务塔则可以提供测试、检查星箭组合体的工作平台，同时起到保护火箭不受天气影响的作用，未来如果要在文昌发射场执行载人航天发射任务，航天员也可以通过勤务塔进入飞船，在紧急状态下也可从勤务塔快速离开火箭前往安全区域。
文昌发射场所采用的另一项新技术是牵制——释放装置，该装置是专门针对我国新一代运载火箭所采用发动机的一些特点而研制的。我国之前的运载火箭使用的是四氧化二氮/偏二甲肼这样的混合自燃推进剂，也就是说只要将四氧化二氮和偏二甲肼混合到一起便可燃烧产生推力，采用这种燃料的火箭发动机点火后很快就能达到满推力，完全可以使火箭自行安全放飞。而采用非自燃推进剂（如液氢/液氧、液氧/煤油）的发动机需要点火装置引燃推进剂，点火后达到满推力的时间也较长，尤其像液氧/液氢发动机一般需要5～7秒，如果达不到一定推力起飞，就会出现倾覆等危险，故需要先牵制住火箭，等发动机达到满推力后再释放。这一技术并非我国独创，苏联自“联盟”运载火箭的前身——R-7运载火箭便开始采用这一技术，并且至今仍能在“联盟”运载火箭发射时看到这一装置的工效：“联盟”火箭点火时，有4个金属结构合在一起扣住火箭腰部，待发动机推力达标后，该装置像花瓣一样打开，释放火箭升空。“阿波罗”飞船所使用的“土星”五号运载火箭也需要牵制——释放装置来限制火箭。使用液氢/液氧发动机的航天飞机系统采用的牵制——释放装置则比较简单，只是将航天飞机的两个固体火箭助推器通过爆炸螺栓分别固定在发射平台的连接装置上，航天飞机发射前6.6秒主发动机点火，如果三台发动机均工作正常，固体火箭助推器点火，同时爆炸螺栓起爆，断开航天飞机与发射台之间的连接，航天飞机升空。牵引——释放装置的另外一个用途是可以在释放前对航天器的工作状态进行测试，如果说在发动机点火到装置释放这几秒的时间内，计算机检测出航天器系统出现故障，可以实施紧急关机，避免航天器带故障上天，尽可能减少损失。
“阿特拉斯”5号运载火箭矗立在移动发射平台上，旁边的脐带塔可为其提供电、气、液等供给。文昌航天发射中心的发射平台上也配备有该设备，可为火箭提供高效、安全的保障服务。
民生与发展
除了文昌发射场所采用的新技术引人关注之外，发射场所蕴藏的旅游资源也让百姓感到兴奋。我国之前的航天发射场相对偏远，有机会前往发射场观看航天发射的人并不多，而文昌发射场坐落在“国际旅游岛”——海南岛上，无论是交通、餐饮、住宿等方面都非常发达，当地政府围绕着文昌发射场也做了相应开发，建设了航天主题公园等景点，相信未来文昌发射场必定能成为海南岛上的热点旅游项目，躺在沙滩上看火箭腾空不再是梦。同时，文昌发射场也为航天科普教育提供了绝佳场所，其开放性有助于青少年更加直观、深入的了解航天科普知识，吸引更多青少年投身航天事业。
但不得不说的是，由于当地政府对于发射场周边资源的过度开发，致使发射场未来发展空间十分局促。发射场在建设初期就曾因征地问题导致建设进度延后。如今发射场周边很多土地都已经被开发商收入囊中，如果未来文昌航天发射场需要扩建升级，尤其是还处在方案阶段的“长征”九号重型运载火箭一旦上马，地面配套设施对于发射场的土地需求将会非常巨大，到时候无论是征地还是填海，成本都会非常高昂，不免让人担忧。
随着“长征”七号运载火箭合练箭的进驻，海南文昌航天发射场也正式从建设阶段转入运行阶段。相信在今年，我们就能看到中国新一代运载火箭在南海边腾飞的壮观景象。
责任编辑：陈肖
“联盟”火箭下部的4个金属结构将火箭腰部扣住，待发动机推力达标后打开，释放火箭升空。
远望21号是中国卫星海上测控部建造的第一艘新一代运载火箭运输船，专门的将组装好的火箭或火箭分段从天津港经由海上转运至文昌航天发射中心。