躺著還是站著？火箭轉(zhuǎn)運方式門道多

前不久，長征七號火箭載著天舟六號貨運飛船在文昌航天發(fā)射場轉(zhuǎn)運的視頻，再次引起了大家關(guān)注。火箭完成總裝測試后，從總裝測試廠房轉(zhuǎn)移到發(fā)射工位，其過程就是火箭轉(zhuǎn)運或轉(zhuǎn)場。實際上，火箭常見的轉(zhuǎn)運方式有“躺著”轉(zhuǎn)運和“站著”轉(zhuǎn)運。那么，為什么大同小異的運載火箭會發(fā)展出截然不同的轉(zhuǎn)運方式？它們又各有什么優(yōu)劣呢？

水平轉(zhuǎn)運成本低

運載火箭“躺著”轉(zhuǎn)運，學名水平轉(zhuǎn)運。蘇聯(lián)首創(chuàng)火箭水平轉(zhuǎn)運方式，俄羅斯繼續(xù)發(fā)展到今天，是該國轉(zhuǎn)運方式的主流，在其他國家也得到了應(yīng)用，是一種常見的轉(zhuǎn)運方式。

(資料圖片僅供參考)

火箭采用水平轉(zhuǎn)運時，發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計比較簡單，經(jīng)常看到俄羅斯使用火車拉著火箭水平轉(zhuǎn)運起豎車和聯(lián)盟號火箭進發(fā)射場的畫面，充滿蒸汽朋克的歷史厚重感。“質(zhì)子號”也是用火車水平轉(zhuǎn)運，哪怕是蘇聯(lián)時代空前絕后的能源號重型運載火箭，也都采用水平轉(zhuǎn)運方式。

由火車運輸?shù)穆?lián)盟號運載火箭

火箭會在總裝和測試廠房中水平裝配，隨后水平轉(zhuǎn)運到發(fā)射工位，之后由起豎機構(gòu)進行起豎操作，把水平狀態(tài)的火箭和載荷組合體，變成垂直狀態(tài)等待測試和發(fā)射。曾經(jīng)是世界上最大火箭的“土星五號”也就10米直徑，常見的聯(lián)盟號火箭采用并聯(lián)捆綁式設(shè)計，芯級直徑2.95米，最大直徑也就10.3米，因此對絕大多數(shù)僅需水平轉(zhuǎn)運的火箭來說，總裝廠房高度十幾米就夠用了。

如果火箭采用垂直轉(zhuǎn)運，需要建造幾十米甚至上百米高的總裝測試大樓，這花錢就太多了。運載火箭垂直吊裝不僅麻煩費勁，而且高空作業(yè)也帶來了更多危險。水平轉(zhuǎn)運配套的水平組裝方式便于快速組裝，以及擴大廠房增加組裝線，這些都有利于實現(xiàn)火箭的快速發(fā)射。蘇聯(lián)人搞運載火箭一上手就選擇了水平轉(zhuǎn)運方式，避免了火箭垂直吊裝的問題，是很合理的選擇。

冷戰(zhàn)結(jié)束后，蘇聯(lián)水平轉(zhuǎn)運技術(shù)得到了美國青睞。例如，美國德爾塔IV火箭、獵鷹9火箭都采用水平轉(zhuǎn)運方式，其目的就是降低火箭在地面測發(fā)的成本。

垂直轉(zhuǎn)運更可靠

火箭除了“躺著”轉(zhuǎn)運外，還有“站著”走的垂直轉(zhuǎn)運方式。火箭垂直轉(zhuǎn)運自然要垂直組裝，這就需要高大的總裝測試大樓。盡管如此，“三垂”也就是垂直總裝、垂直測試、垂直轉(zhuǎn)運模式仍然得到了廣泛應(yīng)用。美國長期以來以“三垂”模式為主，受其影響，歐空局和日本的主力運載火箭也采用“三垂”模式。一些國家尤其是歐日的火箭普遍使用垂直轉(zhuǎn)運模式，我國的長征二號F、長征五號和長征七號等火箭也是垂直轉(zhuǎn)運模式，主要原因是垂直轉(zhuǎn)運的效果更好。

神舟十三號船箭組合體轉(zhuǎn)運至發(fā)射區(qū)

眾所周知，運載火箭都是垂直發(fā)射的，而垂直轉(zhuǎn)運的火箭都使用垂直組裝方式。火箭垂直組裝完成后，到發(fā)射前都保持垂直狀態(tài)。垂直轉(zhuǎn)運的火箭只需要組裝完成后進行一次全面測試，其發(fā)射前的測試可以大大簡化。水平組裝雖然方便，但火箭橫向上容易出現(xiàn)受力不平衡的問題，而且完成轉(zhuǎn)運后在發(fā)射工位有一個起豎過程，火箭從水平承力轉(zhuǎn)為垂直承力，整體受力狀態(tài)的變化會影響火箭的狀態(tài)。水平組裝完成后的測試再全面和完善，起豎后也要再進行大量測試，檢查起豎前后火箭狀態(tài)的變化。

為提高火箭運載能力，科研人員都追求極限降低結(jié)構(gòu)重量，本來考慮火箭在飛行時的縱向承力需求就很頭疼了，如果采用水平轉(zhuǎn)運方式，還必須考慮加強橫向強度，同等技術(shù)水平下結(jié)構(gòu)重量有增無減，運載能力就要打個折扣。

更重要的是，精密嬌貴的衛(wèi)星對放置狀態(tài)極為敏感，有些衛(wèi)星帶有超大的輕質(zhì)折疊天線，根本不許改變放置姿態(tài)，星箭合攏完成組裝后，就只能采用垂直轉(zhuǎn)運方式，最大限度地保持衛(wèi)星狀態(tài)不發(fā)生變化。總之，雖然垂直轉(zhuǎn)運需要配套垂直組裝，而垂直總裝大樓的建筑成本也較高，但垂直轉(zhuǎn)運最大限度保證了火箭和衛(wèi)星的狀態(tài)不變，提高了火箭和衛(wèi)星的可靠性。

未來火箭轉(zhuǎn)運方式多

水平轉(zhuǎn)運省錢，垂直轉(zhuǎn)運可靠，有沒有什么辦法融合兩者的優(yōu)點呢？美國航天已經(jīng)做了一些創(chuàng)新嘗試。美國的德爾塔IV火箭雖然是水平轉(zhuǎn)運，但看轉(zhuǎn)運照片就知道，它和俄羅斯的“聯(lián)盟號”等火箭的水平轉(zhuǎn)運是大不相同的：水平轉(zhuǎn)運的德爾塔IV火箭并不完整，只有“無頭”的火箭第一級和第二級，它的整流罩/有效載荷組合體是等“無頭”火箭運抵發(fā)射區(qū)起豎后，才用垂直吊裝方式和推進級對接，這種混合模式既有水平組裝費用低，又有載荷垂直組裝狀態(tài)不變的優(yōu)勢，可能會成為未來的發(fā)展方向。現(xiàn)在美國獵鷹重型火箭為發(fā)射高價值的軍用衛(wèi)星，正在建造巨大的垂直總裝塔，實現(xiàn)大型精密軍用衛(wèi)星的垂直總裝。

無論是“三平”還是“三垂”，都是上世紀誕生的火箭測發(fā)模式，隨著可重復使用航天運載器的發(fā)展，未來火箭可能不再需要轉(zhuǎn)運。美國在上世紀90年代曾計劃研制三角快帆復用航天器，這是一種垂直發(fā)射垂直返回的單級入軌火箭，它從設(shè)計概念上就沒有組裝和轉(zhuǎn)運的問題。

當然，“三角快帆”的驗證機DC-X都半途而廢，后續(xù)研發(fā)更是無疾而終，但它畢竟指出了一個前途無限的路線。現(xiàn)在，SpaceX公司正在研制“星艦”運輸系統(tǒng)，作為一種二級入軌完全重復使用的火箭，它的第一級“超重”和第二級“星艦”都將火箭精確反推降落，懸停到發(fā)射塔架附近，并由發(fā)射塔架上的機械臂Mechazilla夾住回收。“超重”和“星艦”將借助Mechazilla機械臂，直接在發(fā)射塔架上垂直組裝。換句話說，雖然“星艦”系統(tǒng)的設(shè)計更復雜，但它同樣沒有轉(zhuǎn)運的問題，未來火箭取消轉(zhuǎn)運，或許是大勢所趨。（作者：張雪松）

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