石豪：長征十一號成功發射捕風衞星——中國航天走向深藍

【文/ 觀察者網專欄作者 石豪】

2019年6月5日12時6分，我國在黃海海域用長征十一號運載火箭，將捕風一號A/B星和五顆商業衞星順利送入預定軌道。

從這一天起，中國擁有了海上發射衞星的能力，中國航天第一次在蔚藍的大海中構建發射陣地。

我們為什麼需要海射？海射對中國有什麼重大意義？筆者要先從軌道説起。

本文圖片由作者收集，下同

低傾角軌道

先來看看世界地圖：

世界地圖 | 原圖: 國家測繪地理信息局

從北緯23.5度到南緯23.5度，在筆者着重標示的南北迴歸線之間，有着大量的亞非拉發展中國家，同時也覆蓋了大部分海上絲綢之路沿線國家。

這些低緯度國家對於環境災害預防、國土資源監測等典型衞星應用，有着迫切的需求。

但對於傳統的太陽同步軌道遙感衞星，地面軌跡的形狀是這樣的：

太陽同步軌道遙感衞星地面軌跡示意圖

單顆衞星每天只能經過低緯度國家一兩次，完成國土全覆蓋需要多天，如果為了獲取更及時的遙感數據，就必然要採用多顆衞星組網運行。

遺憾的是，這些發展中國家目前的經濟實力普遍不足以支撐這樣的星座。

換個思路，如果打一顆軌道傾角很小，甚至0度傾角的衞星，運行在赤道正上方，就像下圖中藍綠色的軌道：

0度傾角衞星（藍綠色）與太陽同步軌道衞星（黃色）對比圖

配合側擺一定角度的相機，衞星星下點每繞赤道一週，理論上我們就能為低緯度國家成一次像，國土覆蓋從幾天一次變為一天幾次，效率倍增。

側擺成像示意圖

但低緯度國家依然無法負擔。

不是貧窮限制了他們的想象力，而是物理定律。

根據航天動力學知識，發射場的緯度就是衞星在不變軌情況下能進入的最低傾角角度。

如果有讀者朋友不太理解，炎炎夏日，不妨買一個正球形的西瓜來，瓜柄是北極，瓜臍是南極，隨便在瓜表面找一個點當發射場，試着用刀切出一個既通過“發射場”，又通過西瓜球心的切面來，還要儘可能貼近西瓜的“赤道面”。

這種球型的西瓜就不錯

我們國家目前有四大發射基地：酒泉、太原、西昌、文昌。

中國航天發射場佈局圖 | 圖片來源: 央廣網

就算是緯度最低的文昌，也是北緯19度左右，從這個緯度變軌到0度傾角，依然需要大於1000米每秒的速度增量。

要麼用火箭/上面級變軌，要麼用衞星自己變軌，無論哪個方案，都很浪費錢。

這樣，把火箭拉到更低的緯度發射，就成為了更好的選擇。

火箭殘骸落區

落區對中國航天而言，一直是個問題。

由於測控原因，酒泉、太原和西昌三個發射基地都建立在內陸地區。

這也就意味着每次發射，火箭的一級都會墜落在我國境內。

發射高分四號衞星的長征三號乙運載火箭殘骸 | 圖片來源: 中新網

儘管落區的規劃避開了人口稠密區域，但每次發射，也免不了對落區內村鎮進行疏散，殘骸砸壞老鄉家屋頂農田的事情也時有發生。

落區鄉鎮的火箭殘骸回收方案 | 來源: 餘慶縣政府

文昌發射中心的建設，雖然很大程度緩解了落區殘骸對當地人民生產生活的影響，但海上發射技術的突破，無疑為落區規劃提供了更自由的選擇。

海上發射低地球軌道（LEO）和太陽同步軌道（SSO）落區示意圖 | 來源@CCTV

新時代的“捕風者”

突破歷史的火箭發射，自然要有突破歷史的衞星相伴——捕風一號A/B衞星，作為我國首次海上發射的主載荷，同樣意義非凡。

這是我國第一種能夠全天候探測海面風場的衞星。

捕風一號A/B衞星 | 圖片來源: 航天東方紅

包括我國在內的亞洲國家一直飽受颱風的侵襲，每年都會遭受嚴重的經濟損失，甚至人員傷亡。因此研究颱風的早期形成，及時預測颱風活動，就成為了亞洲各國共同的目標。

然而，我們對關鍵的海面風場一直缺乏有效的測量手段：通過衞星雲圖只能測雲頂風，並非海面風；通過雷達散射計只能測量50m/s以上的海風，且載荷設備較大，用於多星組網探測風場則過於昂貴。

上個世紀90年代，全球導航衞星系統（GNSS）趨於成熟，科學家們發現，GNSS信號在海面發生反射（Reflection）時，會受到海浪影響產生不同的變化——具體地説，海面無風則反射信號均勻，海面有風則反射信號變化，風越大變化越劇烈。

通過測量GNSS信號在反射時發生的變化，就能精確反推海面風場的情況，這就是GNSS-R技術。

而採用這項技術的捕風一號，將在太空中大顯身手。

GNSS-R示意圖 | 圖片來源: 中國空間技術研究院

捕風一號能夠同時接收北斗和GPS的直射與反射信號，精密反演海面風場，“捕住風，捉住影”，為颱風預報提供準確依據，造福包括中國在內的廣大亞洲人民。由於不需要複雜的主動發射裝置，因此衞星設計得小巧玲瓏，大大降低了成本，也為未來的全球海洋風場星座建設奠定了堅實的基礎。

在歡慶成功的同時，我們不應忘記型號背後默默奉獻的研製團隊，他們主導了新技術的持續突破，讓我們的高科技不再受制於人，他們是新時代的“捕風者”。

捕風一號衞星總設計師白照廣（右一） | 圖片來源: 中國空間技術研究院

捕風一號衞星試驗隊 | 圖片來源: 中國空間技術研究院

走向深藍，經略海洋

海上發射的成功，除了技術突破外，還有戰略突破。

正如筆者前文所述，南北迴歸線內的低緯度國家，多為亞非拉發展中國家，對航天應用和航天服務的需求迫切，但自身的經濟水平嚴重製約了他們的發展。曾經有低緯度國家向我國求購對地觀測衞星，但最終因發射場緯度帶來的較高發射成本而卻步。

中國突破海上發射技術，為這些低緯度發展中國家選擇中國航天掃清了一大障礙。長征十一號火箭的總指揮李同玉在接受採訪時説，未來甚至可以把火箭和發射平台駛到對方國家的港口，把他們的衞星安裝在火箭上、發射到太空，提供便捷的衞星發射服務。

這可能是全世界最高端的“上門服務”，是中國與響應一帶一路倡議的低緯度發展中國家實現雙贏的重點工程。

這個場景未來一定會經常出現 | 圖片來源: 鄧燁晨@中國青年報

而在筆者看來最核心的是，通過海上發射，我們的海洋權益保護意識、海洋權益保護水平都能再上一個新的台階，經略海洋迎來了新的機遇。

海上發射離不開海警的護航，離不開海洋機構的大力協同，每一次任務都是對中國海洋力量的的鍛鍊，每一次護航都是對中國海警的檢驗。

未來，由中國海警守護的中國海上發射平台，必將把和平利用太空、開放包容、互利共贏的理念，傳播到東海、南海和太平洋。

中國航天走向深藍，中國走向深藍。

圖片來源: 鄧燁晨@中國青年報

參考資料

[1] https://mp.weixin.qq.com/s/E5tR2Hd1cGln4FJZRudwXw

[2] http://www.cma.gov.cn/2011xwzx/2011xqxxw/2011xqxyw/201906/t20190605_526544.html

[3] Rose R, Gleason S, Ruf C. The NASA CYGNSS mission: a pathfinder for GNSS scatterometry remote sensing applications[C]//Remote Sensing of the Ocean, Sea Ice, Coastal Waters, and Large Water Regions 2014. International Society for Optics and Photonics, 2014, 9240: 924005.

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