揭秘火箭发射“良辰吉日”:叹为观止

2017年4月28日07:11:25 评论 134

天文航空栏目 

4月20日19时41分,我国第一艘货运飞船“天舟一号”成功发射。

细心的小伙伴掐指一算发现,“实践13号”卫星是在4月12日19时04分发射的,而“胖五”是在去年11月3日20时40分发射的……难道航天器都是夜猫子,偏爱在晚上发射?

事实真的如此吗?我们先来看两张统计表。

揭秘火箭发射“良辰吉日”:叹为观止
2013年中国航天发射活动统计(来源:航空航天港)

揭秘火箭发射“良辰吉日”:叹为观止
2015年中国航天发射活动统计(来源:中国运载火箭技术研究院官网)

不难看出,尽管航天器中不乏夜猫子,但白天发射的也不少,看起来似乎并没有规律性。

那么,航天发射的良辰吉日究竟是怎么确定的呢?

什么是航天发射的“良辰吉日”?

关于航天发射时间,专业又形象的说法叫“发射窗口”,它是指允许航天器发射的一个时间集合,而非一个确定的时间点。

发射窗口,顾名思义,我们知道窗户有宽有窄,同样的,发射时间的范围也有大有小。

发射窗口通常可分为3种:一种是日计窗口,就是说发射日期已经确定,但具体时刻待定;一种是月计窗口,即发射月份确定,哪一天发射仍未知;还有一种是年计窗口,它只指定了发射年份和可能发射的月份。

航天发射是个高难度技术活,有人曾形容其是“刀尖上的舞蹈”,不过,除非遭遇恶劣天气,一般而言火箭自身是能够全天候发射的。

可是一旦火箭前面多了“运载”二字,就重担在肩身不由己了,运载火箭就像一位司机,车何时开、如何开、往哪开,主要由航天器这位乘客说了算。

受载荷类型、目标任务、气象条件等诸多因素影响,对于不同类型的航天器,运载火箭对发射时间的选择是不同的。

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发射台上的“联盟号”火箭(来源:欧空局官网)

一般来说,航天器飞得越远,发射窗口就越宽

譬如,在发射近地轨道的卫星、飞船和空间站时,发射时机几乎每天都有,因而选择日计窗口;发射行星和月球探测器时,每个月中只有几天满足最佳发射条件,所以选择月计窗口;而发射行星际探测器时则需要年计窗口,这是由于对于大范围飞行的探测器,其有利的探测位置往往几年甚至几十上百年才能遇到一次。

不管航天器最初选择何种发射窗口,一旦确定发射,最终都要回归到日计窗口上来,那具体应该在什么时刻发射呢?

这是一个十分复杂的科学问题,发射时间的限制条件繁多,包括光照条件、姿态控制、回收时间、交会对接等等。

科学家们通过建立每个限制条件和发射时间之间的计算公式,分别算出相应的发射窗口,然后取其共同部分便是航天器最终的发射时间。

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欧空局于2003年发射的“火星快车”探测器,其发射窗口每26个月才出现一次(来源:欧空局官网)

任务约束最关键

航天器能否准确入轨并顺利执行预定任务是衡量发射成功与否的关键,因此决定发射时间最关键的因素便是航天器的任务约束。

蝌蚪的小伙伴在看新闻时一定注意到了“天舟一号”的发射窗口是比较奇葩的“零窗口”,这是个什么鬼呢?

所谓零窗口是指发射窗口非常窄,发射时间的调整余地很小,该技术的操作和流程颇为复杂。

之所以会选择零窗口,是由于“天舟一号”需要完成与“天宫二号”交会对接的任务,只有当“天舟一号”的发射点包含在“天宫二号”的轨道面内的时段内才可发射,这样才能保证两个航天器共面,顺利完成“送快递”的使命。

科研人员在考虑共面等因素后,经过精心计算将发射时间确定为4月20日19时41分28秒,发射时不允许有一秒的偏差。

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“天宫二号”与“天舟一号”组合体在轨补加推进剂试验动画演示(来源:中国航天科技集团官网)

除了交会对接的飞船,对于执行特定任务的卫星,其发射时间也需要根据任务类型来反推。

气象卫星、海洋卫星等遥感卫星的主要任务是对地监测,当它们对目标区域进行观测时,需要有良好的光照条件。

然而,我们知道由于地球自转和火箭发射角度的影响,火箭在发射后,其飞行轨迹并不是直上直下的,这就导致卫星入轨位置与发射场的位置存在偏差,发射的时候是白天,但入轨的位置却可能在地球的阴影区中。

因此,为了保证入轨位置和时间满足观测需求,很多卫星只好在晚上发射。

气象光照要考虑

航天器对恶劣天气十分厌恶,他们最喜欢在无降水、地面风速小于8米/秒、发射前后场区附近无雷电活动的气象条件下上天。

我国的酒泉、西昌、太原三个发射场在选址时便充分考虑了当地干燥少雨的特点,之所以要避开降雨而尽量选择晴朗的天气,一方面是由于雨滴在撞向高速飞行的火箭时会摧毁其外壳隔热瓦,另一方面是由于雨水会削弱无线电波,不利于航天器的遥控监测。

然而,“天舟一号”飞船既要实现零窗口发射,却又偏偏选择了多雨的文昌航天发射场,怎么办呢?

为此,科研人员特地给“长征七号”增加了防雨防水的新技能,让它成为了我国第一款防水火箭,这样即使天气状况不佳,也能实现零窗口发射。

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“长征七号”发射瞬间(来源:CCTV军事)

除了降雨,大气层内外的其他气象条件也对航天发射有很大影响。比如,在大气层内,雷击和乌云很可能导致火箭和航天器上的电子设备损毁;而在大气层外,太阳黑子活动、电磁暴等空间天气环境也可能使发射任务失败。

这其中对发射影响最严重的便是海拔8至15千米的高空风,如果风速很大或上下层的风速和风向不同,会大大影响火箭的飞行姿态和结构,因此便要求航天器在发射时其所经过的空域最大风速不能超过70米/秒。正是在考虑了以上诸多气象条件后,我国的载人飞船大多都选在了秋冬二季进行发射。

前面提到过对某些执行特殊任务的卫星,光照是确定发射时间的一个重要因素,其实对于其他一些航天器,也需要考虑光照条件。

我国的“神州一号”是在1999年11月20日凌晨6点30分发射的,虽然发射时天还没亮,但飞船入轨后却正好处于光照区,如此一来,太阳电池翼就能产生足够的电能,让飞船上的仪器可以正常工作。

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“神州一号”飞船(来源:www.astronautix.com)

当然,对于神州系列返回式飞船及其他返回式卫星而言,仅仅保证发射入轨时的光照条件是不够的。为了使它们在返回地面后易于寻找,应当让它们在白天返回,而为了让降落伞能顺利打开,还要避开大风等恶劣天气。因此,在选择发射时间时就要充分考虑返回时的气象和光照条件。

运载能力有要求

自人类发明现代飞行器以来,一直都在飞行器的重量上锱铢必较。

据报道,尽管“天舟一号”的外部壁板仅为3毫米左右,但科研人员还是充分发挥了“夺泥燕口,削铁针头”的“抠门儿”精神,通过控制加工温度及切削速度等参数,愣是让“天舟一号”成功瘦身30千克。

同样,为了能多装货物和节约燃料,人们在发射时间的选择上也是绞尽脑汁。

由于天体存在自转和公转,若想让卫星精确抵达预定位置,就要完成入轨、变轨等多个环节,为了节省珍贵的燃料,从发射起的每个环节都要在时间把握上十分精准,这样可供发射的窗口便会很窄甚至是零窗口。

这里不妨以我国第一颗绕月人造卫星“嫦娥一号”为例。实际上,“天舟一号”采用的零窗口发射并非什么新鲜事,早在10年前就出现在了国人的视野中。

2007年10月24日18时05分04秒,“嫦娥一号”卫星从西昌卫星发射中心成功发射升空,这是我国第一次采用零窗口发射航天器。由于采用零窗口发射,“嫦娥一号”得以沿着捷径到达目的地,从而节约了近120千克燃料(燃料总共仅1200千克)。

后来的“嫦娥二号”、“神州八号”、“神舟九号”等等也都是零窗口发射,航天器的运载能力都得到了有效改善。

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“嫦娥五号”飞行试验器轨道示意图(来源:新华社)

观测设备需兼顾

这儿所说的观测设备包括两个方面,其一是地面对火箭和航天器的跟踪观测设备,其二是航天器携带的姿态测量设备。

当航天器和天空之间的亮度差异较大时,地面的测控设备很容易捕捉到航天器的行踪,早期的卫星多选择晚上或黎明前发射正是出于这个原因。

按照NASA的规定,日落15分钟后的发射即是夜间发射,选择这一时段发射是因为此时太阳位于地平线附近,当火箭飞到一定高度后便会形成强烈的反光,而此时发射场和火箭行经区域天色较暗,和火箭形成很大反差。

典型案例有我国1970年4月24日21时35分发射的第一颗人造地球卫星“东方红一号”,虽然发射时伸手不见五指,但入轨后的卫星却由于受到阳光照射,使人们在地面上用肉眼就能看到。

当航天器入轨后,为了便于调节姿态以达到稳定飞行,需要采用自身携带的红外地球敏感器、太阳敏感器等多种姿态测量设备进行飞行姿态监测。然而,姿态测量设备却极易受到光照的干扰而发生故障,这就要求航天器、地球与太阳必须处于较好的相对位置,以使姿态测量设备避开阳光辐射。

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我国发射的第一颗气象卫星“风云一号”A星,该卫星由于遭遇强烈的太阳活动,姿态失控,仅工作了39天(来源:中国航天科技集团官网)

以上所说的是选择发射窗口时需考虑的几个主要因素,另外还需考虑温度、防撞等因素,这些因素经常相互矛盾,科研人员会将由各个条件计算得到的发射窗口进行优劣排序,综合平衡安全性和经济性后,选择最适宜的发射时间。

总之,航天器的发射时间可谓千差万别,究竟何时发射,要根据航天器的任务、天体运行规律、气象光照等条件具体分析。

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