下雨了，火箭要推遲發(fā)射嗎？

文/毛新愿

在世界各國的航天發(fā)射過程中，都要嚴(yán)格遵守一套叫做“火箭發(fā)射天氣標(biāo)準(zhǔn)（weather launch commit criteria）”的規(guī)則。這套規(guī)則規(guī)定了各種氣象條件，如果沒有特殊的任務(wù)要求，不滿足其中任何一條就必須推遲火箭的發(fā)射。

其中最傲嬌的恐怕就是航天飛機(jī)發(fā)射了，由于航天飛機(jī)擁有超過250萬個零件、平均算下來每次發(fā)射費用達(dá)到15億美元之巨（由項目總花費2000多億美元和總發(fā)射次數(shù)135計算而來），不得不對天氣更為小心。在航天飛機(jī)的任務(wù)歷史中，有接近一半的延期發(fā)射與天氣因素相關(guān)。

我國的載人航天發(fā)射也是如此，在發(fā)射直播期間，中央電視臺一定會采訪酒泉東風(fēng)航天城的氣象站，而氣象站一定會匯報風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、云層情況等詳細(xì)信息，最后會總結(jié)為一句話：“該氣象條件可以滿足發(fā)射要求”，然后才能進(jìn)入下一步。

為什么火箭發(fā)射會如此敏感于天氣狀況呢？而哪些惡劣天氣會導(dǎo)致火箭發(fā)射推遲？

恐怖的雷電和雨云

▲閃電擊中挑戰(zhàn)者號航天飛機(jī)發(fā)射塔架

希臘神話中主宰雷電的宙斯成為了眾神之王，中國神話中雷公電母也地位非凡，甚至在中國文化中最恐怖的詛咒之一就是“天打雷劈”，人類對于雷電的恐懼可見一斑。對于雷電來說，它的能量巨大，擊毀一輛汽車和擊毀一個火箭的區(qū)別并不大。而事實上，“遭雷劈”也是火箭發(fā)射中最為恐懼的一條。

其實道理很簡單，火箭由很多精密的電子儀器構(gòu)成，而且在飛行過程中需要大量的地面雷達(dá)遙測信號，雷電很容易導(dǎo)致電子儀器短路和失效，雷雨云也極大干擾地面遙測信號導(dǎo)致火箭制導(dǎo)與控制困難重重，雷擊強(qiáng)大的能量甚至可以擊毀火箭。

1987年3月26日，美國的宇宙神-半人馬座火箭在發(fā)射美國海軍一顆價值超過10億美元的通訊衛(wèi)星時，就不幸遭遇了這種狀況。發(fā)射僅僅48秒后，就有強(qiáng)閃電擊中火箭，包括火箭偏航控制元件在內(nèi)的諸多器件發(fā)生故障，火箭在空中自爆，任務(wù)失敗。

1983年8月30日航天飛機(jī)第八次任務(wù)時，挑戰(zhàn)者號航天飛機(jī)因為颶風(fēng)“巴里”，被延遲發(fā)射達(dá)10天之久，美國宇航局?jǐn)z影師記錄下了延遲期間閃電擊中發(fā)射臺的場面。

強(qiáng)風(fēng)

火箭發(fā)射并不是筆直飛向天空，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定高度后便開始轉(zhuǎn)向，從而達(dá)到任務(wù)的軌道傾角要求。在此期間，火箭需要經(jīng)歷復(fù)雜的轉(zhuǎn)向和姿態(tài)控制，而過大的風(fēng)速甚至劇烈變化的風(fēng)速和風(fēng)向的風(fēng)切變，都顯然將影響這一控制精度。

所謂“失之毫厘，謬以千里”，起步階段的火箭對于控制精度要求極高，因此必須盡量減小強(qiáng)風(fēng)天氣對火箭的影響。大氣是個由對流層、平流層、熱層、電離層等組成的高達(dá)100公里的綜合，在每一層都存在不同的氣象條件和風(fēng)速，它們中的任意一層出現(xiàn)異常風(fēng)速都將導(dǎo)致火箭控制大打折扣，甚至造成任務(wù)的失敗。

歐空局最著名的羅塞塔彗星探測任務(wù)，需要在茫茫太空中花十年時間追上探測的目標(biāo)——丘留莫夫-格拉西緬科彗星。它對發(fā)射窗口的要求可謂更加嚴(yán)格。先是因為阿里安火箭的故障被延期近一年，臨近新發(fā)射窗口時，又因為高空大氣的強(qiáng)風(fēng)進(jìn)一步推遲24小時，但為保障安全，寧愿事后修改設(shè)計軌道也不能冒險強(qiáng)行升空。

更何況在人類生活的對流層內(nèi)，大風(fēng)天氣一般伴隨著風(fēng)雨雷電，這就導(dǎo)致航天發(fā)射危險系數(shù)進(jìn)一步升高。

▲大氣模型中關(guān)于平均風(fēng)速的描述，可以看到底層對流層的風(fēng)速比起高空大氣只是小巫見大巫

▲太陽活動和磁場作用不僅產(chǎn)生極光，劇烈的活動也會導(dǎo)致電離層出現(xiàn)“風(fēng)暴”

空間天氣

在航天發(fā)射中，需要考慮的天氣遠(yuǎn)不止地球天氣這么簡單，還要考慮行星際的空間天氣，對于地球而言，則是需要觀察太陽的活動。

比如劇烈的太陽耀斑和風(fēng)暴可以輕易引起大范圍地球磁暴，在整個電離層引起巨大波動，這種人類肉體難以察覺的災(zāi)難，可以輕易毀掉航天器的元件甚至直接使它們報廢。1989年3月的太陽風(fēng)暴直接導(dǎo)致美國GOES衛(wèi)星壽命減半，日本衛(wèi)星CS-3B異常、命令電路損壞，而1998年的太陽風(fēng)暴則直接導(dǎo)致美國銀河-4號通訊衛(wèi)星報廢。

在航天發(fā)射時，也需要盡力避免太陽活動頻繁的時期，使得這種風(fēng)險降到最低。

▲挑戰(zhàn)者號航天飛機(jī)發(fā)射前發(fā)射架恐怖的冰錐

低溫

極寒天氣也會對火箭發(fā)射產(chǎn)生不利影響，這體現(xiàn)在對地面發(fā)射場和火箭外置元器件的影響上。

最典型的例子就是1986年1月28日的挑戰(zhàn)者號航天飛機(jī)發(fā)射事故。發(fā)射前，位于美國東海岸的肯尼迪航天中心遭遇了罕見的極寒天氣，氣溫連續(xù)處于零下，“挑戰(zhàn)者號”在被立到發(fā)射臺后發(fā)射時間被迫推遲。負(fù)責(zé)航天飛機(jī)助推器的生產(chǎn)商們發(fā)出過警告，發(fā)射場長時間低溫可能導(dǎo)致密封墊圈失效，而加注液氫、液氧后將使情況更加嚴(yán)重。最終，“挑戰(zhàn)者號”的確因為發(fā)射期間固體助推器的O型密封圈在劇烈震動情況下脫落失效，導(dǎo)致燃料箱發(fā)生劇烈的爆炸，“挑戰(zhàn)者號”事故也因此成為世界最嚴(yán)重的航天事故之一，損失慘重。

日照情況

火箭發(fā)射還需要考慮任務(wù)需求而制定任務(wù)時間，比如對光照要求較高的太陽同步軌道衛(wèi)星、光學(xué)氣象衛(wèi)星等任務(wù)必須白天發(fā)射，需要光學(xué)遙測制導(dǎo)的火箭也必須考慮日照情況：不能太強(qiáng)也不能太弱。

絕大部分?jǐn)y帶太陽能帆板供能的衛(wèi)星任務(wù)，也需要考慮入軌后展開太陽能帆板時的位置。不過，這個相比其他原因的影響力要小得多了。

那么，如果真的因為受到上述情況的影響，推遲發(fā)射，會造成哪些影響呢？

▲以獵鷹火箭為例，火箭發(fā)射時的脫落物里就有寒冷燃料導(dǎo)致的火箭表面水汽凝結(jié)而來的冰塊，可見火箭是真冷啊

▲以國際空間站的貨運飛船進(jìn)步號為例的地面軌跡圖，可以明顯看到要飛行很多圈之后才會重復(fù)路過某地/發(fā)射場上空

1.對液體火箭燃料加注的影響

液體燃料火箭是目前航天發(fā)射的絕對主流，占據(jù)了90%以上比例，它們使用的燃料一般是液氧、煤油、液氫、聯(lián)氨、四氧化二氮等，普遍需要低溫保存。

例如我國的“長征五號”就是一個以液氧、液氫為主要燃料的“胖冰箭”，液氧、液氫的保存更加困難，燃料需保存在零下252.8攝氏度（液氫）和零下183攝氏度（液氧）。

在這種情況下燃料加注的時間點就非常重要，否則只有在極低溫度下才能穩(wěn)定保存的液態(tài)氣體燃料將會難以在常溫環(huán)境下保存，給地面發(fā)射場系統(tǒng)造成巨大障礙。

因此，如果火箭發(fā)射被天氣問題延遲，尤其是加注燃料后被延遲，對火箭的發(fā)射安全系數(shù)影響很大，需要盡力避免。

2.發(fā)射窗口的影響

任何一個火箭發(fā)射任務(wù)都有一個叫做發(fā)射窗口的概念，比如前文提到的有些衛(wèi)星必須趕上一定日照環(huán)境。對于行星際任務(wù)，往往要趕上星球之間的相互位置，比如地球和火星之間大概每26個月才出現(xiàn)一次發(fā)射機(jī)會，已經(jīng)飛出太陽系的旅行者1號和2號探測器更是趕上了175年一遇的罕見時間窗口才得以遍訪外圍行星。

而對于載人航天任務(wù)、尤其是空間交會對接任務(wù)而言，更是有所謂“零窗口”的概念：由于目標(biāo)對接航天器在太空中時刻運動而地球也一直在轉(zhuǎn)動，所以目標(biāo)航天器只有在特定的時間才會路過與發(fā)射場位置“重合”的上空（其實是之前，因為要考慮火箭發(fā)射期間飛船也在運動），所以準(zhǔn)備對接的航天器必須按時按點準(zhǔn)時升空，甚至要做到與預(yù)計時間分秒不差才能在太空中準(zhǔn)確交會對接。

就像國際空間站對接、我國天宮一號和二號與飛船的對接實驗一樣，在這種情況下可以想象因為天氣問題延遲將會多么可惜。不過好在這種延期不會很久，基本等上一兩天就會有下次窗口。

也正因如此，世界各地的發(fā)射場都會有極其嚴(yán)格的天氣預(yù)報流程，早在發(fā)射之前幾周便會分析各種氣象數(shù)據(jù)預(yù)測發(fā)射日的天氣狀況，甚至釋放探空氣球探測局部具體信息。如果發(fā)現(xiàn)有可以驅(qū)散的惡劣天氣形成因素，比如小型雨云，甚至?xí)扇∠劝l(fā)射“火箭”的方式來應(yīng)對。

不過，此時發(fā)射的“火箭”一般都是能夠“呼風(fēng)喚雨”的專用人工降雨炮彈或火箭，它們可以通過提前下雨的方式減小天氣對發(fā)射的影響。

但是目前人類對于真正惡劣的天氣，比如風(fēng)暴和大型雨云，還是得靠這個態(tài)度：“我打不起，但我躲得起！”