漫話航天發(fā)射窗口

文/尹懷勤

在與航天相關(guān)的報(bào)道中，我們經(jīng)常會(huì)聽到“發(fā)射窗口”這個(gè)詞，這是什么意思呢？今天我們就來(lái)講一講。

航天發(fā)射窗口是指有利于發(fā)射航天器的一段時(shí)間間隔，只有在這一段時(shí)間內(nèi)發(fā)射航天器才能保證航天器按規(guī)定的時(shí)間和地點(diǎn)進(jìn)入預(yù)定軌道，開展航天活動(dòng)。探測(cè)太陽(yáng)系行星及其他天體的航天器，發(fā)射窗口是保證其能與目標(biāo)飛行物相遇的最佳發(fā)射時(shí)機(jī)。發(fā)射窗口有寬有窄，寬的以小時(shí)計(jì)，甚至以天計(jì)、月計(jì)或以年計(jì)；窄的則只有幾十秒鐘。對(duì)于航天器而言，發(fā)射窗口的選擇至關(guān)重要，如果未能在此窗口發(fā)射，則必須等待下一次的發(fā)射窗口到來(lái)。

發(fā)射窗口的分類

◎太陽(yáng)系行星發(fā)射窗口時(shí)間表

發(fā)射窗口分為年計(jì)發(fā)射窗口、月計(jì)發(fā)射窗口、日計(jì)發(fā)射窗口和零計(jì)發(fā)射窗口。

年計(jì)發(fā)射窗口，即規(guī)定某年內(nèi)允許連續(xù)發(fā)射的月份，適用于星際探測(cè)任務(wù)。太陽(yáng)系八大行星中，數(shù)飛往火星的有利發(fā)射時(shí)機(jī)間隔時(shí)間最長(zhǎng)，需要26個(gè)月才有一次機(jī)會(huì)。也就是說(shuō)，每2年零2個(gè)月才有一次向火星發(fā)射探測(cè)器的窗口。

月計(jì)發(fā)射窗口，即規(guī)定某個(gè)月內(nèi)允許連續(xù)發(fā)射的天數(shù)，適用于行星和月球探測(cè)任務(wù)。水星發(fā)射窗口每隔116天即不到4個(gè)月就出現(xiàn)一次。

日計(jì)發(fā)射窗口，以某日內(nèi)某時(shí)刻到另一時(shí)刻的形式表示，適用于各種航天器。對(duì)于一般衛(wèi)星和導(dǎo)彈的發(fā)射，只需規(guī)定日計(jì)發(fā)射窗口。

零計(jì)發(fā)射窗口，零窗口發(fā)射是指在一定長(zhǎng)度的發(fā)射窗口時(shí)間內(nèi)，緊貼窗口上沿即最優(yōu)時(shí)間實(shí)施發(fā)射，而且時(shí)間誤差只能在正負(fù)1秒間。采用零窗口發(fā)射，需要按預(yù)先計(jì)算好的發(fā)射時(shí)間，分秒不差地將火箭點(diǎn)火升空，不允許有任何延誤與變更。

2007年10月24日18時(shí)5分4秒，在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，嫦娥一號(hào)衛(wèi)星成功發(fā)射升空就是釆用的零窗口發(fā)射。正因?yàn)榱愦翱诎l(fā)射，嫦娥一號(hào)節(jié)省了120千克衛(wèi)星燃料，才有了2009年3月1日的成功撞月。本來(lái)，嫦娥一號(hào)的發(fā)射窗口預(yù)留了35分鐘，在這35分鐘內(nèi)都可以發(fā)射，但技術(shù)人員計(jì)算發(fā)現(xiàn)在最后一分鐘發(fā)射與在第一分鐘發(fā)射相比，衛(wèi)星燃料將多損失120千克，這對(duì)總共只有1 200千克燃料的嫦娥一號(hào)來(lái)說(shuō)是很大的損失，將直接影響其工作時(shí)間和工作壽命，所以技術(shù)人員立即決定在第一秒內(nèi)發(fā)射。

2018年12月8日2時(shí)23分，嫦娥四號(hào)探測(cè)器也選擇了零窗口發(fā)射，并成功進(jìn)入預(yù)定軌道。至此，我國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空的所有探月衛(wèi)星均實(shí)現(xiàn)了零窗口發(fā)射。

發(fā)射窗口的選擇

早期火箭的發(fā)射窗口主要是根據(jù)光學(xué)觀察條件來(lái)確定的，以便對(duì)火箭飛行進(jìn)行光學(xué)測(cè)量研究。應(yīng)用衛(wèi)星等航天器出現(xiàn)后，航天器對(duì)發(fā)射條件的要求更為復(fù)雜，這時(shí)光學(xué)觀察就成了次要的條件。由于航天器的功能、用途和要達(dá)到的目的各不相同，各類航天器對(duì)運(yùn)載火箭的發(fā)射條件也有不同的要求，相應(yīng)發(fā)射窗口也不盡相同。

一般來(lái)說(shuō)，選擇發(fā)射窗口需要滿足以下幾個(gè)條件：1.太陽(yáng)照射航天器飛行下方地面目標(biāo)的光照條件；2.航天器太陽(yáng)帆板與太陽(yáng)光線的相對(duì)關(guān)系（保證太陽(yáng)能電池供電的要求）；3.航天器姿態(tài)測(cè)量精度要求的地球、航天器、太陽(yáng)之間合適的幾何關(guān)系；4.航天器溫度控制要求太陽(yáng)只能照射航天器某些部分；5.航天器處于地球陰影內(nèi)時(shí)間長(zhǎng)短的要求；6.航天器著落回收時(shí)間的要求；7.對(duì)航天器軌道面的特定要求；8.地球與航天器等目標(biāo)天體相對(duì)位置的要求；9.其他如地面跟蹤測(cè)量條件、氣象條件等要求。

保證運(yùn)載火箭成功發(fā)射航天器的技術(shù)要求叫作發(fā)射條件。為了保證發(fā)射圓滿成功，應(yīng)該讓參與發(fā)射的各項(xiàng)設(shè)備和系統(tǒng)都處于最佳狀態(tài)。但由于設(shè)備和系統(tǒng)很多，制約因素之間存在著矛盾，要使它們都處于最佳運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)是很困難的，甚至是不可能的。因此，通常會(huì)規(guī)定一個(gè)最低程度的發(fā)射條件。它由發(fā)射控制系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)、通信與時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)、氣象保障系統(tǒng)等分頭確定，然后由發(fā)射部門進(jìn)行綜合分析，根據(jù)不同發(fā)射時(shí)段對(duì)實(shí)現(xiàn)發(fā)射目的的影響程度，排出綜合的最佳發(fā)射窗口、較好發(fā)射窗口和允許發(fā)射窗口。

◎嫦娥二號(hào)發(fā)射入軌示意圖

能否從多個(gè)互相牽制的因素中選出正確的發(fā)射窗口，是航天發(fā)射的一項(xiàng)重要工作，它關(guān)系到運(yùn)載火箭和航天器是否能夠成功發(fā)射入軌。如果發(fā)射窗口沒(méi)有選擇好，發(fā)射失敗或航天器無(wú)法達(dá)到它的功用，那就造成了人力、物力的極大浪費(fèi)。我們說(shuō)航天技術(shù)既復(fù)雜又困難，不僅體現(xiàn)在航天設(shè)備的制造方面，還體現(xiàn)在選擇發(fā)射窗口這樣的細(xì)節(jié)工作上。同學(xué)們，你們是不是也從“發(fā)射窗口”這個(gè)航天技術(shù)的小“窗口”中窺見了航天事業(yè)的龐雜了呢？