Космодром Вэньчан на о. Хайнань, запуск ракеты CZ-5 и будущее этого космодрома

Космическая польза от экватора

Для чего космодромы размещают у экватора? Вкратце: из-за облегчения достижения полезной нагрузкой (ПН) нужной скорости на орбите Земли. И для уменьшения затрат топлива при изменении/уменьшении наклонения орбиты, приведения наклонения орбиты к нулю (например для запуска на геостационарную орбиту).

Радиус Земли составляет R=6378 км (на экваторе). Длина экватора Земли равна

$$

За сутки любая точка на экваторе прокручивается именно на такое расстояние, один такой оборот нашей планеты занимает 24 часа. Поделив длину экватора в км на 24*3600 секунд мы получим, что линейная скорость земной поверхности на экваторе равна 0.464 км/cек, почти полкилометра в секунду. Это горизонтальная скорость никак не может подкинуть ракету вверх, но эта скорость добавляется к горизонтальной (точнее орбитальной) скорости верхней ступени и ПН, летящих уже не вверх, а параллельно земной поверхности на восток вдоль экватора (в конце вывода ПН на орбиту). Конечно это идеальный случай, характерный для вывода спутника на геостационарную орбиту (которая проходит точно над экватором), с космодрома тоже расположенного точно на экваторе. Для орбит с наклонением к плоскости экватора (чем дальше от экватора космодром, тем больше, увы, наклонение) не вся скорость, полученная при старте ракеты от вращения земной поверхности, будет полезной добавкой. Полезна только та часть скорости, которая параллельна плоскости будущей орбиты.

На широте Байконура окружность Земли по данной широте имеет меньшую длину, но оборачивается точка на этой окружности за те же 24 часа, потому в районе Байконура линейная скорость равна 0.316 км/cек, а на широте Плесецка всего 0.212 км/сек — в два с лишним раза медленнее, чем на экваторе.

Для выхода на орбиту Земли нужно набрать орбитальную скорость равную 7.9 км/сек. Очевидно, что полкилометра в секунду тут не будут лишними, этот прирост в скорости довольно ощутимый — 1/16 часть желаемой скорости выводимого КА (полезной нагрузки). Потому и имеет смысл строить космодромы прямо на экваторе или поближе к нему.

Понятно, что если у государства там (поближе к экватору) нет своей территории, то остаётся либо арендовать там место под космодром (как это планировалось сделать в 2001 году на о. Рождества в 10 градусах южной широты от экватора — проект застрял в 2003 и похоже надолго) или гонять по океану плавучий космодром (как это делалось в проекте «Морской старт»).

Европейскому Союзу и его космическому агентству в этом смысле повезло: у Франции в Южной Америке завалялась колония под названием Французская Гвиана. Там европейцы и построили к 1968 году космодром «Гвианский космический центр» около городка Куру. В результате космодром Куру (как его часто называют ) расположен на широте чуть больше 5 градусов к северу от экватора, ракеты (в том числе и построенные по лицензии российские «Союз-2») при старте с этого места получают близкие к максимальным дармовые 463 м/сек. Разница в дармовой прибавке к орбитальной скорости ПН для четырёх космодромов (двух российских, одного американского и одного европейского в Куру) видна на картинке ниже:



Если посмотреть на список вообще всех когда-либо действующих космодромов мира, то можно увидеть, что почти прямо на экваторе кроме космодрома Куру расположены ещё две площадки запуска:



Первая это бразильский космодром Алькантара около города Сан-Луис — строился с 1983 года, работает с 1990 года, но из-за аварий и катастроф с него ничего на орбиту Земли так и не вышло. Геофизические ракеты с него поднимались на высоты до 956 км, но потом падали вниз — звездный час этого космодрома всё ещё в будущем. Этот космодром ещё ближе к экватору (2 градуса южной широты) и расположен в 1200 км от Куру.

Второй забытый экваториальный космодром – это нечто необычное: первый в мире космодром морского базирования Сан-Марко или Космический центр Луиджи Брольо построенный итальянцами к 1964 году у берегов Кении, около города Малинди, 2.5 градуса южной широты. Космодром был заточен под один американский «конверсионный» четырёх-ступенчатый РН «Скаут» — первый в мире полностью твердотопливный РН со скромной массой ПН от 160 до 210 кг. Космодром расположен на трех платформах, для строительства использовались старые нефтяные платформы. С 1988 года этот космодром законсервирован, запусков оттуда пока не планируется.

На планете сталось ещё несколько совсем безопасных мест для наземных экваториальных космодромов (Галапагоские острова, Мальдивские острова, Индонезия — северные части о. Папуа Новая Гвинея), где полет ракеты о отделение ступеней будут происходить над морем и несколько высокогорных (гора Кения и её окрестности в Кении, вулкан Чимбораса и его окрестности), там, где при старте ракеты с тангажем на восток (так чтобы к скорости ракеты добавлялась скорость вращения поверхности Земли), отработанные ступени не будут падать на особо густо-населённые районы, но все же поселения там есть. Но все эти места расположены в слабо освоенных или даже совсем диких местах не самых развитых стран мира.

Новый южный космодром Китая

В одной изрядно развитой стране мира, рвущейся к господству во многих сферах, в 2007 году решили построить космодром на своей территории, но как можно южнее, ближе к экватору. Страна эта Китай, а из числа самых южных территорий у Китая есть огромный курортный остров Хайнань на 18-19 градусах северной широты, в многом играющий в Китае ту же роль, что для СССР играл (и для России играет) Крым – известная «всесоюзная здравница». Неизвестно, насколько курортная тематика острова Хайнань мешала более раннему началу строительства космодрома в этом благом месте, но есть мнение о том, что ранее китайское правительство имело опасения об уязвимости космодрома на Хайнане перед вражескими ударами в случае войны. К XXI веку Китай обрел настолько огромный вес в военно-морских и военно-воздушных силах (и в стратегических ракетах), что тянуть далее с эпохальным решением из-за мнимой уязвимости космодрома стало просто нелепо. Ведь старые космодромы Китая расположены далеко на севере в пустынях или в горах. Траектории взлёта ракет оттуда зачастую проходят над густонаселенными местами, что вызывает серьёзные проблемы — об этом немало и красочно рассказано здесь.

Под новый космодром выделили около 1200 гектар в городском уезде Вэньчан (??) около города Вэньчан (Wenchang), на северо-востоке острова Хайнань. Место для космодрома Вэньчан (официально Wenchang Spacecraft Launch Site или ??????? по-китайски) располагалось прямо у морского берега, почти в самой восточной части острова. Таким образом, взлетающие на восток ракеты далее летят над Южно-Китайским морем и Тихим океаном, как раз в промежутке между о. Тайвань с севера и Филиппинами с юга. О районах падения ступеней нужно предупреждать только морские суда и корабли, не опасаясь падения ступеней на населённые пункты. Космодром расположен на 19 градусах северной широты, что ближе к экватору, чем у основного американского космодрома на мысе Канаверал (28 градусов), но дальше от экватора чем космодром Куру (5 градусов) и чем основной индийский космодром на 13 градусах северной широты на о. Шришарикота.

В такой густонаселённой стране как Китай, на курортном острове Хайнань разумеется невозможно было выделить 1200 гектар у моря без поселений, потому в первый год при разбивке космодрома потребовалось переселить около 6000 жителей из двух полностью сносимых деревень и закрыть две погранзаставы (от которых на территории космодрома остались наблюдательные вышки). Жители потеряли свои родные пенаты у моря в тени кокосовых пальм, которые и составляли большую часть растительности будущего космодрома. На острове Хайнань (и в городском уезде Вэньчан особенно) огромные площади заняты бесконечными, как дикорастущими, так и возделываемыми кокосовыми рощами. В расположенном в 15-18 км южнее портовом и курортном городе Вэньчан даже расположен большой институт исследования кокосовых пальм (CATAS, Coconut Research Institute) китайской академии наук:



Можно сказать, что космодром Вэньчан является тропическим (почти экваториальным) космодромом в курортной зоне. Как в принципе и американский космодром им. Кеннеди на мысе Канаверал во Флориде – там тоже курорт.

Законченный с опозданием к 2016 году (вместо 2014) космодром Вэньчан обошёлся для Китая в неназванную круглую сумму (в любом случае в казне КНР осталось ещё много денег). Ниже одно фото со строящимся стартовым столом LC-1 этого космодрома:



Также к космодрому с северо-востока прилегает (входит в периметр космодрома) гостиничный комплекс, жилые корпуса и санаторий для работников космической отрасли.

Заодно на северной окраине космодрома с размахом отстроили средних размеров тематический парк для туристов, желающих посетить космодром, стоимостью 7 миллиардов юаней (около 875 миллионов долларов), который так и не был полностью закончен (несколько зданий стоят пустыми и заброшенными) и к декабрю 2019 году внезапно приостановил свою работу (возможно из-за банкротства компании владельца). Но торговля космическими сувенирами в павильоне около тематического осталась и автобусы с китайскими туристами туда пока заезжают.



Иностранцев (даже «соотечественников» из Гонконга, Макао и Тайваня) и ранее не пускали на экскурсии по космодрому (это официально написано на английском в правилах посещения, вывешенных на здании тематического парка).

Немного странно, что, несмотря на явную симпатию китайского правительства к огромным стройкам, ради нового космодрома не был построен отдельный порт/пирс на северном берегу глубоководной бухты города Вэньчан (но это упущение можно исправить позже). Доставка частей ракет с завода пока осуществляется двумя специализированными судами Yuan Wang 21 и Yuan Wang 22 через обычный грузовой порт Quinglan (смотри видео здесь) на южном берегу бухты, после чего по перекрытым улицам города (освобождённым от обычного автомобильного транспорта) и подвесному мосту через бухту (далее по обычной автостраде) мощные тягачи медленно тянут негабаритные упакованные в контейнеры части ракеты на космодром.

Доставка частей ракеты CZ-5 для третьего пуска была выполнена в конце октября 2019. В этот момент я уже много знал о том, чем так важен пуск этой ракеты для Китая, для чего она разрабатывалась и как неудачный второй пуск CZ-5 (2 июля 2017 года) поставил под удар дальнейшую амбициозную китайскую лунную программу и всю программу строительства большой модульной китайской орбитальной станции из 3 модулей по 20 тонн каждый.

Как съездить и посмотреть на запуск китайской ракеты?

Прикинув все факторы, я решил, что китайские товарищи в лепешку разобьются, но запустят ракету CZ-5 до конца 2019 года, а так как цена повторной неудачи для них слишком высока, то и собирать, проверять ракету они будут особо тщательно и не торопясь. Значит пуск будет в последние 10 дней года, но не 31 числа – в английской версии статьи о CZ-5 в Википедии тогда было указано в качестве периода запуска именно 20-31 декабря 2019.

Уже купив авиабилеты на о. Хайнань и забронировав отель у космодрома, я обнаружил, что английская версия статьи Википедии о ракете CZ-5 уже содержит запланированную дату пуска: 27 декабря 2019. Некий пользователь 1 декабря внес эту правку в английской версии и сослался на данный китайский источник на космических форумах: https://m.weibo.cn/detail/4443949391356221 — там дату старта определили уже 29 ноября (и сразу поправили китайскую версию статьи). Похоже датам на этом форуме можно верить.

Заселившись в отель 20го числа, я был обрадован тем, что балкон моего номера выходит на стартовую площадку, расположенную всего в 5 км (в отеле есть пара корпусов, которые даже ближе). Между отелем и рыбацкой деревушкой у самого забора космодрома и парой санаториев около неё идет активное строительство коттеджных апартаментов и гостевого комплекса, тоже расположенного на холме, так что в будущем за немалые деньги можно будет поселиться с комфортом и с ещё более захватывающим видом на основной китайский космодром с расстояния всего 4 км.

Утром 21 декабря, выйдя на балкон своего номера, я увидел, как транспортер доставляет собранную ракету CZ-5 на стартовый стол в вертикальном положении— фото ниже:



Довольно быстро транспортер довез ракету до стартового стола.



Два сборочных цеха в северной части космодрома для ракет типа CZ-5 и типа CZ-7 соединены с двумя стартовыми столами LC-1 (для CZ-5) и LC-2 (для CZ-7) насыпями и многоколейными железными дорогами странной конфигурации – отдельные ветки, выходящие из двух сборочных цехов, соединяются в одну общую, потом снова разделяются на две отдельный ветки к двум стартовым столам. Причем, для тяжелой ракеты-носителя CZ-5 дорога целиком прямая (отмечена красной линией), длиной 2.8 км, а для ракеты среднего класса CZ-7 ж/д путь имеет два закругления:



На стартовом столе ракета простояла в открытом виде несколько часов, а потом была закрыта специальными кожухами от непогоды. Для тропического космодрома это не лишняя предосторожность, ибо климат на Хайнане очень влажный и дождливый (1500-2000 мм осадков в год), дожди идут около 100 дней в году, бывают грозы и даже тайфуны (но не в декабре). Стартовые столы находятся в 800 метрах от берега, на пологом холме. Море в этом районе мелкое, с рифами (буруны видны в 1-2 км от берега), так что от небольшого цунами и тайфунов стартовые столы достаточно защищены. Конечно, их башни обслуживания для проверки и заправки ракет размещены со стороны моря, прикрывая собой ракету. На этих башнях обслуживания также крепится легкий кожух, разделенный на три уровня, раскладывающийся пополам вправо и влево, закрывающий ракету от атмосферных осадков. Подробности видны на официальных фото.

С пляжа эти стартовые столы выглядят следующим образом:

— это LC-1 для «пятерки» CZ-5.

— это LC-2 для «семерки» CZ-7.

Остальные дни шла проверка и тестирование ракеты и оборудования стартового стола.
Стартовый стол вечерами LC-1 освещался и выглядел вот так (в закрытом виде):



С 24 декабря на ближайших к берегу моря дорогах начали выставлять объявления о местах дополнительных парковок для автомобилей, бригады электриков проверяли освещение и видеокамеры на берегу и на автодорогах. В отель явилась делегация полиции с проверкой мер противопожарной безопасности.

Народные гуляния по случаю запуска ракеты

27 декабря с утра на всех пляжах собрались зеваки. Народ занимал места всерьез и надолго, некоторые даже принесли с собой палатки.



Утром были среди публики и ракетчики с космодрома в характерных светло-синих брюках и куртках с китайским флагом над левым нагрудным карманом. Фотографы оккупировали окрестные береговые скалы, выставив там свои штативы. На протяжении 5-7 км берега присутствовали: многочисленная полиция, пожарники (прямо в касках), спасатели в синей форме с палаткой плакатами об их спасательном центре, дружинники с красными нарукавными повязками и даже какие-то девочки-санитарки в ярких жилетах (наверное волонтеры).



Атмосфера была весёлой (не смотря на похолодание, низкую облачность, усиливающийся ветер и намеки на дождь), играла музыка, всем кроме полиции было весело. Полиция дежурила с самого утра, огородила мокрые скалы, чтобы публика не попадала в неспокойное море. К семи вечера некоторые из полицейских уже даже не могли стоять на ногах и сидели на скалах или на корточках.

Ближайшим отелем (в котором я жил), какой-то фирмой производителем внедорожников, а также разными фирмами застройщиками курортных берегов и другими организациями в парке на холме и на пляже было выставлено много плакатов, столов с сувенирами, рекламой. Было много макетов ракет и стендов для фотографирования:



В целом народ веселился сам и его веселили те, кто хотел заработать на этом событии. Так космонавтика проникает в жизнь простого народа и остается там навсегда.

Ожидаемый вечерний запуск — быстро и коротко

В районе 17 часов оба патрульных корабля береговой охраны, что маячили в море напротив, отошли далеко в стороны. На стартовом столе LC-1 был убран кожух и стала видна готовая к старту заправленная ракета CZ-5 с характерными султанами от охлаждения криогенного содержимого баков (фото сделано в 20:30):



В отеле были две версии, когда по времени назначен пуск: одни говорили, что в 10 часов вечера, другие, что в промежутке между 8 и 10 часами вечера. Я вышел на балкон за несколько минут до восьми часов и попробовал фотографировать стартовый стол с ракетой.
В восемь часов и следующие 10-15 минут особой активности на стартовом столе не было – в бинокль было видно, как испаряется сжиженный кислород (смотри видео тут или тут). Я отвлекся, ожидая старт в 22 часа и думая, что собравшаяся снизу на лужайке отеля толпа предупредит окружающих криками. Хорошо оставил открытой дверь на балкон и сидел рядом вполоборота. В 20:44 с секундами по моим глазам сбоку резанул оранжевый свет и послышались негромкие удивленные крики публики, которую этот старт тоже застал врасплох. Я успел записать видео уже оторвавшейся ракеты с отражением от моря – ракета быстро ушла в низкую облачность, продолжая светить оранжевым сквозь облака еще полминуты. Только через 10-15 секунд после отрыва по ушам ударил разрывающий рев выхлопа со стартового стола в пяти километрах (он есть на видео тут или тут).

На официальном видео запуска видно насколько мал период между зажиганием и отрывом ракеты от стартового стола. Такое впечатление, что двигатели первой ступени вышли на максимальную тягу за 4-5 секунд.

Официальное время старта было объявлено потом как 20:45, но по моим часам зажигание и отрыв произошли чуть раньше. Через 40-50 минут в интернете и на телевидении стали появляться сообщения, что пуск и выход спутника на переходную орбиту прошли успешно! Выведенный на геостационарную орбиту коммуникационный спутник «Шицзянь-20» стал первым китайским космическим аппаратом, основанным на новой платформе DFH-5. Спутник более тяжелый и мощный, чем его предшественник «Шицзянь-18», потерянный при неудачном старте 2 года назад. Новый старт позволил проверить, насколько исправлены недочеты в турбонасосах двигателей YF-77 (из первой ступени, но не из боковых ускорителей), недостаточная тяга которых и привела к неудаче в 2017 году.

Как простой наблюдатель я могу констатировать факт: космодромам в курортных зонах — быть! Уровень надёжности современной космической техники и зоны безопасности вокруг стартовых столов почти в пределах самого космодрома (радиус 2 км от места старта) дают достаточные гарантии безопасности для публики, а использование в первых двух ступенях ракет обычной пары керосин + кислород не несут опасности химического загрязнения земли, воды или воздуха. В перспективе и третьи ступени ракет будут основаны на паре водород + кислород. Сами космодромы являются явными и популярными достопримечательностями курортных регионов, вызывают интерес, как у местных туристов, так и у приезжих. Запуски с таких космодромов превращаются в бесплатное шоу для народа, на котором неплохо наживается специализированная и обычная торговля. В окрестностях космодрома развивается не только дорожная сеть и коммуникации, но и происходит активное жилищное/курортное строительство, развитие инфраструктуры, неизбежно дорожает новая недвижимость у космодрома, которая становится престижной не только из-за появления новых покупателей (работников космодрома), но по причине того, что из неё (рядом с ней) удобно наблюдать запуски ракет. Проще говоря, жить в таком районе становится просто престижно.

Перспективы космодрома Вэньчан

Перспективы данного космодрома пока полностью основаны на возможностях двух ракет из нового семейства: тяжелой CZ-5 (ПН до 25 тонн) и средней CZ-7 (ПН до 13.5 тонн).

Ракета CZ-5 по весу полезной нагрузки является аналогом нашей многострадальной «Ангары-А5». CZ-5 официально разрабатывалась с 2007 года, но двигатели YF-75 и YF-100 под эту ракету начали разрабатывать гораздо раньше: в 2000-2001 годах.

CZ-5

Удачно стартовавшую в 2 из 3 запусков «пятерку» CZ-5 (и космодром, построенный под «пятерку» и «семерку») ждет очень насыщенный трудовой график:

1. Первый пробный запуск ракеты в двухступенчатом варианте CZ-5B. Что будет выведено на орбиту в ходе этого тестового запуска не совсем понятно, пишут, что это какой-то прототип китайского пилотируемого космического корабля нового поколения. Но зачем ему быть таким тяжелым, целых 20 тонн? (ведь текущий пилотируемый корабль КНР «Шэньчжоу» весит менее 8 тонн, его можно запускать и с помощью CZ-7). Возможно, это будет просто массово-габаритный макет модуля китайской орбитальной станции), однако в некоторых источниках пишут, что в октябре 2020 будет с помощью CZ-5B запущен уже сам новый пилотируемый корабль, не прототип.
2. В июле 2020 ракета CZ-5 должна отправить на Марс первый КА на марсианской орбите, посадочный аппарат и первый китайский марсоход (сделан на основе лунохода «Юту»). Пока эта миссия предварительно названа HX-1 (Huoxing-1).
3. В последнем квартале 2020 года ракета CZ-5 должна запустить к Луне посадочный аппарат «Чанъэ-5», который должен собрать на Луне и доставить обратно на Землю более 2 кг лунного грунта. И повторить тоже самое с аппаратом «Чанъэ-6» в 2024 году.
4. Окончательной проверкой для CZ-5B станет запуск в 2020-21 году базового модуля «Тянхэ» весом в 24 тонны для китайской модульной орбитальной станции. За 2021-22 годы для этой станции также должны быть запущены два лабораторных модуля «Вэньтянь» и «Мэнтянь» по 20 тонн весом.
5. А также CZ-5 в 2024 году будет выводить в космос орбитальный телескоп «СюньТянь» с зеркалом диаметром 2 метра и с возможностью причаливать к китайской орбитальной станции. Запланирован для CZ-5 и запуск КА SPORT (Solar Polar Orbit Telescope) с облетом Солнца со стороны его полюсов.

CZ-7

Ракета CZ-7 имеет неформальное наименование из-за своей формы: на китайском ?? – что означает «Ледяная стрела». В боковых ускорителях и первой ступени ракеты используются те же двигатели YF-100 что и в боковых ускорителях CZ-5. Эту ракету среднего класса (масса ПН до 13.5 тонн) тоже уже испытали на космодроме Вэньчан в ходе двух удачных пусков:

1. 25 июня 2016 года произошел успешный пробный запуск CZ-7 c экспериментальной уменьшенной моделью спускаемого аппарата.
2. 20 апреля 2017 состоялся запуск CZ-7 для выведения на орбиту грузового автоматического корабля «Тяньчжоу» весом около 8 тонн с 4 тоннами груза.
3. Далее CZ-7 будет выводить на орбиту уже опробованные грузовики «Тяньчжоу» для снабжения свой орбитальной станции.
4. Впоследствии новая ракета-носитель CZ-7 заменит старую ракету-носитель CZ-2F, с помощью которой выполняются (c 1999) запуски китайских пилотируемых космических кораблей типа «Шэньчжоу».

Если пилотируемый КА «Шэньчжоу» будет доработан/изменен для полетов к новой орбитальной станции или на Луну, то запас по выводимой ПН позволит CZ-7 работать и с этими КА.

Сверхтяжелая CZ-9?

И если когда-нибудь китайское космическое агентство захочет построить и запустить сверхтяжелую ракету-носитель под названием CZ-9 (а такие планы есть https://web.archive.org/web/20180801122726/, https://www.popsci.com/china-aims-for-humanitys-return-to-moon-in-2030s), то космодром Вэньчан можно расширить вдоль берега на юг (с севера, увы, уже построены отели и жилые районы работников космодрома), выселив ещё одну деревню и вырубив очередные сотни гектаров кокосового леса. Однако для такой сверхтяжелой ракеты (с основным корпусом диаметром в 10 метров) понадобится уже специальный порт поближе к космодрому и специальная прямая дорога от него.