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航天发射,为何有“发射窗口”?不选好日子很危险,甚至会遭雷劈

作者:利刃号

#神舟十五号29日23时08分发射#

根据国家航天局和载人航天工程办公室消息,神舟十五号载人飞船瞄准11月29日23时08分发射窗口,航天员费俊龙、邓清明、张陆三人将进入中国空间站组合体,接替已经在太空出差半年的陈冬、刘洋、蔡旭哲乘员组,继续中国空间站的壮丽航程。

航天发射,为何有“发射窗口”?不选好日子很危险,甚至会遭雷劈

从中国神舟系列飞船的发射时间来看,除了神舟号到神舟四号这四艘无人飞船,其发射时间集中在22时到凌晨2时的深夜,从神舟5号开始,神舟系列飞船的发射时间多集中在清晨到白天,比如神舟5号,发射时间就是早上9时,神舟6号同样是早上9时,神舟9号到神舟10号则集中在下午5时左右,各神舟系列飞船的发射时间,早不过早上五六点,晚不过晚上八九点,此次神舟十五号将发射时间定在晚上11时,也算是创下了一个不大不小的新纪录,那么,为何神舟十五号的发射时间这么晚,航天器的发射窗口到底是怎么决定的呢?

首先来看一看所谓“发射窗口”这个时间概念,所谓的“发射窗口”,主要指的是综合考虑之后,决定的能够使用运载火箭、成功发射航天器的时间范围,这个时间范围可大可小,大的有年窗口,中等的有月窗口,小的则是精确时间窗口。比如年窗口,以美国当年发射旅行者1号、旅行者2号探测器的时限来看,就是看准了1977年太阳系八大行星的相对位置处于一个非常凑巧的位置上,航天器正好可以利用引力弹弓效应加速到第三宇宙速度,同时还可以对八大行星进行一一观测,因此美国就瞄准了1977年窗口,在当年的8月20日和9月5日先后连续发射了两颗“旅行者”号探测器,成为了人类探索星际空间的先锋。

又比如对火星的探测,由于火星和地球的轨道运行周期不同,有时候火星会转到和地球相对较远的位置上,有时候则会转到和地球同处于太阳一侧的位置上,而到太阳一侧的位置上时,一般会被称为火星冲日,此时适合发射火星探测器,火星冲日的天文景象一般每24个月出现一次,冲日的当月也是火星探测器发射的高峰期,这就是航天发射的月窗口,此外火星还有最佳的探测时间也就是火星大冲,但是火星大冲需要15年才能出现一次,这就是年窗口了。

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当然,在星际空间探测中一般要考虑年窗口,月窗口,但是诸如发射神舟系列飞船这种地球轨道发射,一般不需要考虑年窗口、月窗口,那么就需要缩短到以日、时、分、秒为计算的精确窗口上(当然星际探测器也需要考虑精确窗口),按照目前的情况来看,一个发射精确窗口的确立,需要考虑如下因素:

首先是地面观测的需要,我们都知道,神舟系列飞船发射的时候,报的测控口令都会报,某某光学跟踪正常,某某雷达跟踪正常,这就是运载火箭的地面遥测信号跟踪作业,而要确保地面光学、雷达信号正常,下传遥测信号正常,就需要找一个天气条件较好的发射窗口实施发射,你要找一个天气条件恶劣的窗口发射,火箭起飞之后别说雷达和光学不好跟踪,连火箭本身都有可能遭遇危险,比如美国在火箭发射时就遭遇过雷击,差点把整套下传遥测信号都丢了,酿成了不大不小的发射事故。

其次是轨道光照条件的要求,我们都知道,人造航天器所携带的器上蓄电池,电力是非常有限的,只能够使用个几十分钟到一个小时多,因此航天器在发射后,需要立即展开太阳能电池帆板,使用太阳能给航天器供电,同时给蓄电池持续充电,否则器上蓄电池供电耗竭后航天器就失控了,而在地球的背阳面是没有光照的,因此,必须确保航天器在发射后,可以尽快地进入地球向阳面,这样能够迅速给蓄电池上电,这也是一个发射窗口的考虑因素。

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第三是航天器调姿的工作要求,航天器的空间导航是需要依赖于星光或者太阳光导航的,也就是进入太空后缺乏参照物,航天器需要对准一个星体来明确自己的相对位置,这是宇宙航行学的范畴,这个星体一般当然是太阳最好了,所以,和太阳能电池板一样,航天器的导航和定向也要依赖于太阳,导航定向设备的待机时间,同样是航天器的精确发射窗口的考虑因素。

由于此次神舟十五号发射之后,需要瞄准的是中国的空间站组合体,且由于我们采取了快速对接技术,发射之后数个小时就可以完成对接,因此,对发射窗口最大的限制性因素,是空间站状态和空间交会对接的需要。在航天器发射前后,需要精确计算空间站的相对位置,计算空间站的轨道平面和轨道倾角,然后才能据此反推神舟十五号飞船的最佳发射时间,在这个最佳发射窗口发射,可以以更快的速度追上空间站,在较短的时间内就完成交会对接。

当然了,航天器的发射窗口,不仅要反推,还要正推,反推就是根据天气、光照、空间站等因素,反推一个发射时间,正推则是根据发射场、运载火箭、航天飞船、航天员的准备情况,排列工期,推算出最早能够完成准备的时限,毕竟为确保发射顺利进行,参与发射的各项设备均处于最佳技术状态,这两个因素结合起来,正排工期,倒排工期,才是发射的最佳窗口时间。而在实际操作中,通常都先由发射控制系统、地面测控系统、通信与时统系统,以及气象系统等几个与发射关系最大的系统各自根据自己的情况分头确定,然后由发射部门进行综合分析,根据不同发射时段对实现发射目的的影响和程度,排列组合综合的最佳发射窗、较好发射窗口和允许发射窗口,最终由指挥员确定一个最佳窗口。

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因此,所谓的发射窗口,其实不仅仅是一个时间点,说白了它应该是一个时间段,这个时间段有的时候是几个小时,有的时候是几十分钟,但是公布出来的发射窗口只是一个时间点,这个时间点被称为最佳窗口,也就是对航天器本身,对发射场系统,对任务等影响最小,综合效益最佳的发射时间,在这个时间内发射,最直接的影响是航天器可以以极快的速度入轨部署,进入任务状态,如果对接的话,则可以以最快的速度完成和空间站的对接,从而极大地节省航天器燃料,既为国家节约了资源,又为航天器的在轨运行寿命、任务等留足了足够的余量,可以提高航天器的任务效率,能否在最佳窗口期实现发射,体现了一国的航天水平。

因此,神舟十五号飞船在今天晚上23时08分发射,这就是它的最佳发射窗口期,神舟十五号能否在最佳窗口期进入太空,快速完成和空间站的对接,我们拭目以待!

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