天宫一号为什么要等待“良辰吉时”才能发射?

  航空航天

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“天宫一号”目前各项测试工作进展顺利,“长二F”火箭将在发射场与“天宫一号”一起完成相应的技术测试,然后静候发射窗口。作为代表我国尖端科技的中国航天,为什么也要等待“良辰吉时”才能发射升空呢?这个发射窗口是怎么一回事呢?为了搞清楚这个问题,咱们不妨打个比方。

假如一个小伙子喜欢上了一个姑娘,他们能否成为恋人呢?如果这位美丽的姑娘碰巧这段时间也想找个伴侣——姑且将这段时间称之为“窗口期”——并且双方觉得合适,小伙子再来一个真诚的表白,那么好事可成。否则,如果相遇的时间没有在这个窗口期里面,譬如女孩已经有了心上人,或者表白时环境氛围不佳,那么这个男孩只能黯然神伤,或继续坚持,等待女孩回心转意,如果迟迟等不到,那就只好寻找别的目标了。

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其实,“天宫一号”就是一个简易的空间实验室,发射“天宫一号”是为将来建设中国自己的空间站。“天宫一号”飞天后,神舟八号飞船也将择机发射,并将与“天宫一号”在太空“接吻”,这是我国首次实施空间交会对接任务。因此,何时发射要考虑到为神舟八号顺利执行任务提供便利,在合适的时间出现在合适的轨道位置,分秒不差,从而促成这次美妙的“太空之吻”。根据这样的任务目标,再综合其他因素,才能确定适合的“发射窗口”。

航天器的发射窗口指的是,运载火箭携带着航天器发射升空比较合适的一个时间范围。这个范围的大小也叫作发射窗口的宽度。窗口宽度有宽有窄,宽的以小时计,甚至以天计算,窄的只有几十秒钟,甚至为零。

发射窗口是根据航天器本身的要求及外部多种限制条件经综合分析计算后确定的。其中最主要的因素就是考虑卫星与地球、太阳、月球等天体的相对位置,使其发射后能够以最可靠、最节省燃料的方式进入预期的轨道。这要涉及航天器的发射场、轨道的倾角、轨道高度、测控系统等诸多因素。此外,由于航天器上安装的仪器、设备使用要求不同,它们对发射窗口也提出了种种要求和限制条件。

这些要求有时会互相矛盾,因此发射窗口的选择是一个系统综合问题,一般应按优劣次序排出几个发射窗口,考虑各方面的要求并经综合平衡后,选择一个比较合适的发射窗口。犹如茫茫人海之中两个有缘人要想走到一起并甜蜜幸福,很多因素要综合到一起的,有时候甚至必须进行取舍。

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那么,影响和限制发射窗口的具体因素又有哪些呢?

1. 节省燃料的需要

航天器从地面发射到太空中预定的轨道上执行任务,必须消耗大量的燃料,成本极其昂贵,每千克需要将近2万美金,价格将近相同重量黄金价格的一半。由于运载火箭自身的限制,常常只能将航天器推入一个临时轨道,然后再通过卫星上自身携带的燃料和推进器实现精确入轨。由于地球不停地自转和公转,要想卫星准时到达围绕地球飞行的某个预定轨道,必需掐准时间,使轨道的调整消耗的燃料最少。

2. 地面观察的需要

航天器为完成预定的任务目标,需要在特定的时间段内完成规定的动作。例如,1970年4月24日,甘肃酒泉卫星发射中心用长征一号运载火箭发射了我国第一颗人造地球卫星东方红一号,根据毛主席提出的“看得见、抓得住、听得到”的要求,选定的发射时间为北京时间晚上9点35分。这时在酒泉卫星发射中心,太阳已落山一个多小时,天空漆黑一片,但运载火箭升到400多千米高空把卫星送入轨道时,进入轨道运行的第三级火箭及卫星仍能受到太阳光的照射。此时在地面,人们用肉眼就能看到进入轨道运行的第三级火箭及卫星,从而实现“看得见”的任务目标。

3. 地面目标光照条件的要求

当发射遥感侦察卫星、地球资源卫星和中轨道气象卫星时,要求卫星运行轨道下方的地面目标有很好的光照条件,以便于卫星上的可见光遥感器能很好的遥感地面的图像。因此,发射这类航天器的发射窗口都选在白天。

4. 航天器上太阳电池翼光照条件的要求

目前在卫星及载人飞船等航天器上,大多采用太阳能电池供电,当航天器进入轨道时,希望是在地球受到太阳照射的一面,这时太阳翼受到阳光的照射,可立即发电供航天器使用。这是发射这类航天器选择发射窗口时要考虑的一个因素。

5. 航天器上姿态测量设备的要求

航天器进入轨道后,需要利用航天器上的姿态测量设备(如红外地平仪,太阳敏感器等)测量航天器的飞行姿态,以便调整姿态并进入稳定的飞行姿态。航天器上的姿态测量设备工作时,需要航天器、地球和太阳处在一个较好的相对位置,这时测量航天器的飞行姿态精度较高。所以,这也是选择发射窗口要考虑的一个因素。

6. 航天器返回地面时的光照及气象条件的要求

神舟载人飞船、返回卫星从轨道返回地面时,一般都希望在白天,以便快速查找到着陆后的航天器,同时希望气象条件较好、没有大风等恶劣天气,以便于降落伞打开。在选择发射窗口时就要考虑返回时的情况。

另外,卫星轨道精度和目标天体与地球相对位置的要求,也精心选择发射窗口。例如,在向月球、行星和其它星体发射探测器时,必须在地球与被探测的目标天体处在一个有利的相对位置时来发射。一旦由于运载火箭临时出现人为故障,或由于天气等其他原因,不能按时发射而错过了发射窗口时,则只能等待下一个发射窗口。有的航天器发射,一天之内不止一个窗口,有的只有等几天或更长时间再发射。

总而言之,发射窗口要考虑天时地利人和,各方因素齐备,互为支持,才能使航天任务圆满成功,才能有一段甜蜜的浪漫之旅,共享良辰美景。

本文作者为中国航天科技集团旗下中国空间技术研究院(航天五院)培训讲师

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