运载火箭海上发射运用样式研究

李利群，李 成，韩秀利，许国志

（太原卫星发射中心，太原，030045）

0 引言

2019 年6 月，中国成功实施首次海上发射任务，填补了中国海上发射空白，也为提升太空投送能力、实现快速进入空间提供了新的发射运用样式［1-2］。随着未来小卫星及各类星座发射需求的加速扩大，从中国后续航天发射任务规划上看，海上发射任务数量呈现逐年上升趋势，2023年中国将执行约6次海上发射任务，后续将很快达到年均10次以上。同时，执行海上发射任务的运载火箭也呈现出运载能力大幅提升、技术状态日趋复杂的发展态势，液体大型捆绑式运载火箭海上发射在可预见的未来也将实施。运载火箭海上发射将很快形成航班化、规模化运用的常态［3-5］。目前海上发射的运用样式仍然处于初步探索阶段，组织实施还不成体系，技术状态还不够先进，测试发射流程还比较复杂，与未来运用需求还存在差距。

1 海上发射现状分析

截至2023年9月，中国共采用三型运载火箭实施了6 次海上发射，其中，长征十一号运载火箭4 次、捷龙三号运载火箭1次、谷神星一号1次。

1.1 任务基本数据统计

6 次海上发射任务中，运载火箭多为四级固体火箭，发射方式采用冷发射4 次、热发射2 次，共计将41 颗卫星成功送入预定轨道。其中太阳同步轨道3次，小倾角轨道3次，4次发射点位于远海海域，2次发射点位于近岸海域，5 次为拖航航渡方式，1 次为自航方式。

1.2 任务特点

a）以远海海域实施发射为主。

目前海上发射主要集中在中国黄海、东海海域，发射点距离出发母港较远，海上航渡时间较长，航行及抛锚定位等工作程序多，受气象海况影响较大。同时，发射海域位于公海，附近航线较多，航渡期间需要海警系统派出多艘船舶进行伴随护航和发射海域的扫海警戒工作。

b）航落区安全风险较大。

目前海上发射主要以太阳同步轨道卫星为主，从中国北部海域实施发射时，南射向的发射弹道从中国东南沿海附近通过，靠近上海、宁波等城市，贴近或穿越中国台湾地区，并飞越马来西亚、印度尼西亚等国上空。

c）小卫星商业发射占比大。

海上发射多为商业用途小卫星，其中约有占总数量46%（19 颗）的长光高分03 等卫星是用于星座组网，星座组网发射任务还未能大规模开展运用。

d）指挥设施设备逐步集成化。

海上发射历次任务使用的指挥设施设备经历了从无到有、从拼凑到集成、从简陋到完善的发展过程，发射任务前方后方、海上岸上、多指挥中心间通信链路日趋完善，航渡、发射、飞行态势信息更加完善，任务指挥控制方式逐步优化、能力逐步提升。

1.3 运用样式方面的不足

a）技术状态多变，任务准备工作复杂。

每次发射均需要综合考虑发射点、发射弹道、航落区安全性等多方面因素，进行大量计算仿真。弹道经过多次调整优化，新的发射点位置需要多次勘察，并需要经过任务组织、发射、航海、气象、安全等相关方多次研究讨论可行性，再逐级确认审批通过。

b）任务辅线工作多，实施周期较长。

目前海上发射任务实施周期约20天，其中火箭、卫星测试对接等产品主线工作时间约7天，只占任务总周期时间的三分之一，其余大量时间均用于发射船舶改装加固、发射支持设备和指挥控制设备上船固定、船队编组出海航渡、发射船抛锚定位等涉及船舶系统的任务辅线工作。

c）参加单位多，各方协调事项多。

现阶段海上发射任务仍然处于探索阶段，试验特征明显。对于起步阶段的任务和尝试新状态的任务，各方参加单位较多，职责分工界限不够明确清晰，任务保障要素涉及气象、海洋、海警（渔政、海监）、电磁频谱管控、港口、交通管制等大量部门，任务准备阶段和实施期间需要开展多次协调工作，牵扯任务组织实施大量精力。

2 海上发射主要影响要素分析

从海上发射现状来看，海上发射任务在组织实施方面受多方面因素的综合影响。而这些因素的影响范围和影响程度的不同，将造成任务运用样式存在一定差异。本文通过总结中国多发多型运载火箭海上发射的经验和案例，认为卫星轨道类型、气象海洋环境、运载火箭性能、发射平台状态、任务性质等要素是影响海上发射运用样式的主要因素。

2.1 卫星轨道类型

根据卫星轨道类型，海上发射主要进行太阳同步轨道卫星和小倾角轨道卫星的发射。其影响范围主要是航落区安全性，包含海上发射任务的发射点位置、发射弹道设计、航落区的选择3 个相互关联的方面。根据相关规定，火箭飞越他国上空时，弹道高度应大于100 km，子级和整流罩残骸不可落入他国国土和领海范围。

2.1.1 太阳同步轨道

太阳同步轨道的发射方向为南射向，发射弹道是一条几乎从北向南垂直穿越的轨迹，根据中国海域地理分布情况，需要分两种情况分析。

a）发射点位置选择在中国北部海域。

若发射点位置选择在渤海和黄海、东海的西北部海域，弹道轨迹线会穿越中国东部大片国土范围，均为经济发达地区，其中不乏上海、南京、杭州、宁波等大中城市。

若发射点位置选择东海中部海域，则弹道轨迹线将会穿越中国台湾地区。

为避开上述地区，应对方式有以下两种：

1）将发射点位置尽量东移。将造成发射点远离出发母港和陆地，比如中国某次海上发射任务中，发射点距离海阳港约550 km，距离南通市东南最近陆地约180 km，海上航渡和任务周期时间变长，出海费用也同步增加，经济成本高；同时，受制于东部朝鲜和韩国国土地理位置的限制，发射点无法过度东移。

2）在发射点位置相对合适的情况下，进行弹道优化设计，多次转向后弹道轨迹线可以避开中国台湾地区。比如某次海上发射任务，为保证航区规避上海、台湾地区，进行了多次弹道调整，但该方法需要牺牲火箭一定运载能力，对于运载能力较小的火箭，不是最佳选择。

b）发射点位置选择在中国南部海域。

若发射点位置选择在中国南海海域，由于海岸线基本呈西南走势，发射点位置选择可不需要远离陆地，发射弹道轨迹完全从南海穿过，基本不受航落区安全性的影响，发射点位置选取相对容易，是发射太阳同步轨道较为理想的海域。

2.1.2 小倾角轨道

在只考虑地理位置时，中国周边海域均可以选择小倾角轨道的发射点。根据中国海域地理分布情况，同样需要分两种情况来分析。

a）发射点位置选择在中国北部海域。

若发射点位置选择在渤海及黄海的北部海域，由于发射点纬度较高，发射较低轨道倾角任务需要火箭进行机动变轨，会牺牲火箭的运载能力；同时，受东部朝鲜、韩国、日本国土地理位置限制，残骸落区不好选择。

经分析，发射点位置若选择在黄海南部、东海北部海域，可执行45°～55°等倾角较大的小倾角轨道发射任务，航落区向东南方向延伸至太平洋，仅需考虑避开琉球群岛、关岛等重要地域，航落区安全性较好。发射点可以选择海岸线附近，比如中国在海阳港西南方向5.5 km、连理岛以南方向约3 km附近的海域实施的发射，不需长时间航渡，任务时间周期和经济成本均较好。

b）发射点位置选择在中国南部海域。

若发射点位置选择在中国东海南部、南海海域，仅需要避开中国台湾地区。经分析，可执行35°～45°等倾角较小的小倾角轨道发射任务，航落区安全性较好。

2.2 气象海洋环境

运载火箭海上发射时，受气象海洋环境影响较大，需要克服雷暴、降水、大风、浓雾、涌浪、潮汐等气象海洋环境的影响。

2.2.1 气象条件

气象条件主要影响发射窗口的选择。雷暴、降水、大风、浓雾等天气可能造成发射窗口时段无法满足最低气象条件，无法在规定的时间窗口实施发射。

同时，不同的海域在不同的季节存在不同的气象状态。比如中国黄海海域，热带气旋年出现次数为1～3 次，最多的年份出现5 次，主要集中出现在7～9月，出现频数占总数的90%。

2.2.2 海洋环境

海洋环境对海上发射的影响较为直接，主要影响因素是浪涌高、洋流流速流向、水深、海底类型等。

a）对测试发射的影响。

目前，运载火箭在发射点开展测试、进入发射流程应满足的海况条件多为四级及以下海况，要求浪高一般不大于1.5 m。在此海况条件下仍需考虑涌浪对船姿态的影响，发射平台的横、纵摇角度一般还应不大于1°，摇摆周期大于10 s，火箭的姿态稳定度才能够满足点火起飞、制导系统正常工作的初始要求。

受气旋、风、冷暖气流等气象过程的影响，会带来不同程度的海浪、涌浪、洋流变化，不同的海域海况条件决定该海域是否能够选择出合适的发射点位置。

对于发射窗口的选择，也需要选择满足发射条件海况的时段。

b）对海上航渡的影响。

运载火箭出海实施发射，一般采用指挥船、保障船、发射平台、护航船等编队航渡的方式，发射平台若采用保障船拖航的方式，整个船队航速较慢（5～8节），航渡安全受风浪影响较大。目前，海上航渡的海况条件要求为五级以下海况，高于此海况条件船队无法出海，将会影响既定发射窗口。

c）对发射平台抛锚定位的影响。

抛锚定位工作受水深、海底类型、洋流流速流向、涌浪高度的影响较大。水深、海底类型将决定该海域能否实施抛锚定位，若遇较大风速、涌浪、流速，不仅会增加抛锚的难度，也会发生绞锚的风险，极端情况下无法完成抛锚定位工作。抛锚定位后在风浪影响下走锚会导致重大航行事故，即使不发生危险，重新起锚再抛锚也需要1～2 天的时间，对正常发射窗口也会产生较大影响。

d）对操作安全性的影响。

指挥船、发射船上布设有海上发射指挥系统和发射控制系统，在到达发射海域后，需要架设各类通信天线及设备，实施高处作业。在较大风速、浪涌情况下，船只纵（横）摇和甲板上浪程度较大，人员高处作业存在一定危险，甚至无法作业。其次，保障船和发射平台之间进行靠帮作业时两船的纵（横）摇幅度、两船之间船舷相对高度差的变化幅度都给人员及物资输送的安全性带来风险。

2.3 运载火箭性能

运载火箭是海上发射的核心装备，其性能特点直接影响海上发射全过程，主要包含运载能力、动力类型与结构形式、发射方式、海上环境适应能力等方面。

2.3.1 运载能力

火箭运载能力决定单次任务可以发射入轨的卫星质量和数量，换言之，完成某个特定卫星发射任务，尤其是星座组网发射任务，运载能力决定着需要使用火箭的数量和需要执行任务的次数，即海上发射的数量规模、实施方式。

当前海上发射运载火箭主要为中小型固体运载火箭，典型700 km SSO轨道运载能力约1 300 kg，低于1 300 kg 以下的卫星或星座组网卫星可以通过一箭多星的方式实现入轨，超过1 300 kg以上的卫星或星座组网发射，目前尚无合适的火箭可用，限制了运载火箭海上发射的能力。

2.3.2 动力类型与结构形式

动力类型和结构形式决定了火箭的运载能力，以及任务的设备配套、机动性能、地面保障方式等内容，影响任务流程项目、任务周期以及完成任务所需发射数量等指标。

固体运载火箭配套的发射支持系统组成简单、射前准备工序少，火箭转运转载简便，是当前海上发射主要选用的类型。液体运载火箭受液体推进剂射前加注及海上生产、贮运等环节安全性的影响，需要复杂的供气、低温加注等设备，发射支持系统组成复杂、射前加注工序多，用于海上发射需要在发射平台配备大量设备，任务实施过程中地面保障难度较大，现阶段仍是制约海上发射使用的主要因素。

2.3.3 发射方式

发射方式决定着发射支持系统的组成结构、对发射平台的改造程度以及射后恢复时间，影响任务的流程项目安排、任务间隔时间周期等指标。

冷发射方式支持系统组成简单、体积较小，不需要设计专用的排焰通道或导流槽，几乎不需要对发射平台进行改造，发射时不会烧蚀发射平台，对发射支持系统也不会产生较大破坏，任务工作项目少，射后恢复工作量小，任务周期较短；热发射方式直接从发射平台上点火起飞，发射平台需要设计专用的排焰通道或导流槽，需要进行大量防烧蚀措施改造，改造时间较长，射后发射支持系统的恢复内容和时间均较多，任务周期较长［6］。

2.3.4 海上环境适应能力

海上高热、潮湿、盐雾、多风雨等复杂的环境条件对海上发射的运载火箭及其测发控系统、发射支持系统等设计有较大的考验。若运载火箭能够适应海上长期贮运的要求，就可以机动至更远的海域实施发射，也可以长期预置于发射船，在海上保持随时可发的状态，将极大增加海上发射运用样式的灵活性。采用良好的防雨防浪设计，可减少出海前的防护措施加装工作量，节省任务时间。

2.4 发射平台状态

2.4.1 发射平台船型

不同船型可以提供不同稳定度的发射平台环境，有艏楼和上层建筑的发射平台具有大量舱室，可为人员提供更好的生活保障，对出海距离远、时间长的发射具有更好的保障能力。钻井平台型整体规模更大、稳定性更好，具有大量舱室可用于布设加注、供气系统等地面设备，但机动性能较差，不适合远航，适用于大型液体火箭海上近岸海域发射。

同时，发射平台尺寸决定了运载火箭的携带数量。更大尺寸的发射平台可以运载更大质量的运载火箭或一次运输多发运载火箭实施串行发射，减少了发射平台往返于母港至发射海域的次数，缩短了发射周期、降低发射成本。

2.4.2 自主航行能力

发射平台是否具备自主航行能力，决定着航渡途中是否需要保障船进行拖航。自带动力的发射平台较无动力的发射平台航速高至少一倍，可以减少航渡时间和整个出海周期，有利于发射窗口的选取，降低了出海航渡发射整个阶段气象海洋预报的难度，也利于在相同时间要求下航向更远的发射海域，同时不采用拖航方式，对恶劣海况的适应性更好，提高了航渡途中的安全性。

2.5 任务性质

当前，中国海上发射任务根据任务来源及性质区分，不同性质的任务主要区别在于发射任务的申请审批程序、组织实施机制、指挥机构设置等。同时，不同性质的任务在流程项目设置、发射海域选择上也有一定区别。

3 海上发射运用样式

根据上述影响因素及影响范围，可以灵活组合出多种发射状态，形成标准化、组合化、程序化的海上发射运用样式。

3.1 以发射点所处海域建立的运用样式

以发射点所处海域距离陆地距离和地理位置作为划分指标，可分为近岸发射、近海发射、远海发射、远洋发射4种样式。

3.1.1 近岸发射

近岸发射运用样式，是指发射点位置距离中国领海基线小于3 km 的海上发射样式，广义概念下，近岸发射可拓展至海岸边或海岛上实施。

该样式海上发射任务的基本状态为：以发射小倾角轨道卫星为主，发射海域涵盖中国北、东、南部海域海岸，航落区主要为中国近海、西南太平洋海域，可实施固体、液体、捆绑等各型火箭冷、热发射。发射平台出海距离极短或不出海，任务周期可以忽略航渡时间，发射窗口及工作受恶劣气象海况影响小，海上发射前方指挥中心、发射控制系统后端设备布设在岸边，测控保障可采用陆基测控+天基测控模式，发射海域扫海警戒力量为地方海监、渔政部门，任务保障以岸上保障为主，发射海域所在地方机构承担保障工作多，以承担民用、商业发射任务为主。

在发射点位置、航落区满足条件的情况下，海上发射可优先选用近岸发射运用样式。

3.1.2 近海发射

近海发射运用样式，是指发射点位置距离中国领海基线大于3 km 且位于中国领海和毗连区内的海上发射样式。

该样式海上发射任务的基本状态为：发射太阳同步轨道卫星和小倾角轨道卫星均可，发射太阳同步轨道卫星时，发射海域主要在中国南部海域，航落区主要为中国近海、西南太平洋、东印度洋海域，可实施固体、液体等各型火箭冷、热发射。出海前需要进行箭船合练，任务流程项目多，发射平台出海距离受出发母港与发射海域地理位置、距离等影响，航渡周期时间差异较大，发射窗口及工作受恶劣气象海况影响相对较小，海上发射前方指挥中心、发射控制系统后端设备布设于指挥船，测控保障可采用陆基测控、简易测控、天基测控综合运用模式，航渡过程可不实施伴随护航，发射海域扫海警戒力量为地方海监、渔政部门，任务保障以海上保障为主，以承担民用、商业发射任务为主。

此种样式主要为了满足航落区安全性的要求，规避航落区重要设施或中大型城市，在沿海实施一定距离的航渡机动以到达合适的发射点位置。在满足发射航落区安全性的情况下，是相对较好的发射样式。

3.1.3 远海发射

远海发射运用样式，是指发射点位置距离中国领海基线大于44 km且在中国主张权属海域及海洋专属经济区内实施的海上发射任务样式。

该样式海上发射任务的基本状态与近海发射样式类似，主要区别为：远海发射多用于太阳同步轨道卫星发射，发射平台出海距离较远，航渡周期长，发射窗口及工作受恶劣气象海况影响大，测控保障采用简易测控+天基测控模式，航渡过程需实施伴随护航，发射海域需扫海警戒，承担力量均为海警部门，任务保障以海上保障为主，可承担各类性质的发射任务。

此种样式主要为满足太阳同步轨道的航落区安全性要求而采用，是目前最为繁琐、周期最长、成本最高、最不适宜采用的发射样式。

3.1.4 远洋发射

远洋发射运用样式，主要指发射点位于公海、大洋的海上发射样式。

该样式的基本状态与远海发射样式相似，目前中国还没有执行远洋发射的经验，可以预见其与远海发射样式的主要区别为：可执行极小倾角轨道卫星发射，充分释放火箭运载能力，航落区为公海，单次任务周期长，航渡时间占据较大比例，指挥船、发射平台需要具备远洋自主航行能力，测控保障主要为简易测控+天基测控模式，海上长时间保障需求大，可承担各类性质的发射任务，尤其是国际合作发射任务。

3.2 以发射规模数量建立的运用样式

从运载火箭发射的规模数量上划分，可以分为单域单发、单域多发、多域多发3种运用样式。

3.2.1 单域单发

单域单发运用样式，是指在1个发射海域，采用1发火箭完成1个轨道面内1个或多个卫星的发射。

当前中国执行的海上发射，均为单域单发运用样式。此种样式具有程序固定、工序熟练的优点，缺点是每次出海只能完成1 发火箭发射，卫星投送规模小，平均单发火箭发射周期较长、发射成本高，尤其在远海或远洋发射样式下经济性更差，无法适应后续海上发射规模数量大幅提升的状态。

3.2.2 单域多发

单域多发运用样式，是指在1个发射海域，采用多发火箭串行发射的方式，完成1个或多个轨道面卫星星座的发射。

此种样式需要发射平台能够携带2发以上火箭且发射系统具备射后快速恢复能力。优点是一次出海可以完成多发火箭发射，减少了发射平台往返发射母港的时间，卫星投送规模较大、效率较高，平均单发火箭发射周期较短、发射成本适中，尤其适用于远海或远洋发射样式下实施民商用发射。

3.2.3 多域多发

多域多发运用样式，是指综合运用近岸、近海、远海或远洋模式，在多个海域，采用多发火箭并行发射的方式，协同完成不同轨道面卫星星座的发射，主要用于大规模的应急组网应用。

此种样式需要多个专用发射平台和保障船舶，一次携带多发火箭出海，在不同海域根据组网发射窗口需求实施串、并行发射，也可将集成化的贮运发射系统预置部署在多艘船舶上，平时在海上航行待机，需要时迅速到达各自指定发射海域实施发射，一次性快速完成多发火箭的发射。优点是卫星投送规模大、响应时间短，运用效率高，缺点是总体运营成本较高。此样式适用于应急响应，一般不考虑经济性，主要考虑运用价值。

3.3 其他运用样式分类

根据火箭动力类型与结构形式不同，可以分为固体火箭海上发射、液体火箭海上发射、捆绑式火箭海上发射等运用样式。

根据火箭发射方式不同，可以分为弹射冷发射、直接点火热发射等运用样式。

根据发射保障状态，可以分为无塔架发射、简易脐带塔发射、有塔架发射等运用样式。

根据任务性质的不同可以将海上发射分为民用发射、商业发射、国家应急发射、国际合作发射等运用样式。

3.4 典型海上发射运用样式分析验证

通过以下2个案例，进行海上发射运用典型样式的分析验证。

3.4.1 近海发射运用样式分析验证

任务需求：发射3 颗光学卫星，总质量290 kg，97°太阳同步轨道，轨道高度710 km。

首先进行运载火箭选型，根据任务需求和当前可选火箭运载能力，选择长征十一号运载火箭。根据卫星轨道需求，发射点位置可以选择在中国黄海中部或东海南部、南海北部一带。经弹道规划仿真分析得知，若选择在黄海中部、东海南部，航迹中心线会穿越马来西亚、印度尼西亚等国家上空，航落区安全性受限。因而发射点位置选择在南海北部近海海域、距离陆地40 km 附近的海域位置，航落区安全性大幅提升。

此案例为单域单发、近海发射样式。

3.4.2 多域多发运用样式分析验证

任务需求：为应对突发自然灾害，需要在短时内发射一组应急通信卫星星座，其中：a）50°倾角轨道6 颗通信卫星，总质量1 200 kg，轨道高度600 km；b）97°太阳同步轨道1 颗通信卫星，总质量250 kg，轨道高度800 km。

首先进行运载火箭选型，根据任务需求和当前可选火箭运载能力，55°倾角轨道面选择1发捷龙三号运载火箭一箭6星的方式进行发射；97°太阳同步轨道面选择1 发长征十一号运载火箭一箭1 星的方式进行发射。根据卫星轨道需求，经仿真计算，50°倾角轨道发射任务轨道倾角较大，发射点位置考虑优先选择在北部近岸海域；97°太阳同步轨道发射任务，发射点位置优先选择在南部海域。

此案例为多域多发、近岸发射样式。

4 未来发展方向思考

4.1 完善海上发射设施设备体系

未来海上发射设施设备应该走体系化建设的路线，围绕运载火箭、发射平台、指挥系统、保障设备等设施设备不断进行丰富完善。形成海上发射运载火箭家族系列，为海上发射不同运用样式提供多种选择方案，建造专用化、大型化海上发射船舶（平台），实现箭-架-船接口标准化、保障系统模块化、指挥系统集成化、发射控制集群化，提升发射船舶（平台）对不同类型火箭、不同海域的适应性，满足未来多发火箭规模化发射需求。

4.2 推进智能化、远程化、无人化技术应用

推进火箭、卫星、发射系统智能化技术应用，构建智慧控制平台，星箭产品具备远程自主加电测试发射、自适应弹道调整、远程数据装订、远程数据判读等功能；推进指挥系统信息化智能化技术应用，实现高效任务规划、智能仿真推演、信息融合共享、远程发射控制等功能；推进发射船舶（平台）精确化、无人化航行控制，具备自主航行、自主定位与发射点精确控制等功能。

4.3 探索航班化、规模化海上发射新样式

近年来，中国航天年度发射数量屡创新高，仅2022 年就超过60 发，各陆地发射中心现有发射设施接近满负荷运转，未来甚至超负荷运转。海上发射作为新兴发射领域，将进一步研究探索新样式，实现商业发射航班化应用、应急发射规模化实施，为大规模卫星星座组网发射提供优异解决方案，形成陆地、海上发射协同发展的良好局面。

4.4 拓展远洋发射样式

面对国内外庞大的卫星发射市场需求，主动与国际卫星发射市场接轨，依托现有海上发射经验积极探索远洋发射样式，拓展海上发射的卫星轨道类型，充分释放火箭运载能力，有效解决航落区安全限制，探索未来生成全球海域海上发射能力、国际化合作的方式方法。

5 结束语

目前，中国海上发射仍处于初步探索阶段，任务的组织实施还不够完善，还未建立固化的任务运用样式。为满足未来海上发射的快速发展态势，进一步提升海上发射能力，本文总结历次海上发射经验，梳理分析了影响海上发射组织实施的主要因素，提出了海上发射的各类运用样式，为未来更好地实施海上发射提供一些参考和支撑。