火箭擇機發(fā)射，擇的什么“機”

每一次火箭發(fā)射前的官方報道，通常會出現(xiàn)這樣的文字：“火箭已準備就緒，將于近期擇機發(fā)射。”前不久長征八號運載火箭的發(fā)射時間比預計的推遲了兩天，大家就好奇了，這個擇機，擇的到底是什么“機”？是什么影響著火箭的最終發(fā)射時間？

2020年是中國航天輝煌的一年，航天發(fā)射任務頻繁，創(chuàng)造了多個“首次”。然而，每一次發(fā)射前的報道，通常會出現(xiàn)這樣的文字：“火箭已準備就緒，將于近期擇機發(fā)射。”

例如，“長征五號遙五運載火箭和嫦娥五號探測器已垂直轉運至發(fā)射區(qū)，計劃于2020年11月下旬擇機實施發(fā)射。”

加上前不久長征八號運載火箭的發(fā)射時間比預計的推遲了兩天，大家就好奇了，火箭發(fā)射擇的到底是什么“機”？是什么影響著火箭的最終發(fā)射時間？

擇機發(fā)射是滿足發(fā)射窗口的最低發(fā)射條件

擇機發(fā)射，其實是滿足發(fā)射窗口的最低發(fā)射條件。最低發(fā)射條件規(guī)定火箭能夠滿足任務需求，至少要滿足的一些必要條件，主要分為火箭自身條件和外部條件。

日常生活中，人要出遠門，都會提前檢查一下自己的身體狀況，確認有能夠出行的身體條件和能力。火箭也是一樣，出廠前要做各種體檢。不僅如此，到了發(fā)射場，火箭還要再次進行狀態(tài)確認。這就是擇機的第一因素，火箭自身指標要滿足發(fā)射條件。

身體健康條件滿足的同時，還要看天氣是否適宜出行。要避開狂風、暴雨、雷電等惡劣天氣，這就是火箭擇機發(fā)射的環(huán)境因素。

火箭發(fā)射是一項高風險的復雜系統(tǒng)工程。設計之初，設計師們會對火箭自身進行防雨、抗電磁干擾、抗強風等設計，以減少環(huán)境因素對火箭的影響。每型火箭所能抵御環(huán)境因素的數(shù)值，和設計過程中火箭能抵抗的量級是相匹配的。

然而，自然環(huán)境多變且不可控，一旦這些因素超出了發(fā)射預期標準，就可能會對箭體造成損壞，影響火箭發(fā)射任務的成敗。

諸多環(huán)境因素中，高空風對火箭發(fā)射的影響較為突出。高空風一般距離地面4到20公里，火箭飛到這段高度時，如果風速過大，很可能使箭體彎曲變形，嚴重時甚至會損壞火箭結構導致解體。因此，高空風預報對火箭飛行的安全至關重要。

前不久首飛的長征八號運載火箭，就差點兒與高空風“擦肩”而過。長征八號運載火箭副總設計師吳義田透露：“在發(fā)射前，我們預測到發(fā)射場上空高空風比較大，不適合發(fā)射。根據(jù)氣象預報的結果，將原計劃的發(fā)射時間往后推遲了兩天。”

最關鍵的“機”——發(fā)射窗口

自身條件滿足了，外部因素也考慮到了，還有一個最關鍵的因素，就是有沒有時間出行。這就是火箭擇機中一個最關鍵的“機”——發(fā)射窗口。發(fā)射窗口有寬有窄，寬的可以以月計算，窄的大多以秒計算，甚至可以為零。

年窗口? 以某一年內(nèi)連續(xù)的月數(shù)形式表示，一般用于行星際探測任務。一般是一年甚至幾年才能遇到一次。例如，在太陽系的八大行星中，飛往火星的有利發(fā)射時機間隔的時間最長。隨著天體運動，每隔大約779天，地球會位于火星和太陽中間，此時地球距離火星最近。也就是說，每兩年零兩個月才有一次向火星發(fā)射探測器的窗口。

月窗口? 以某個月內(nèi)連續(xù)的天數(shù)表示，一般用于行星和月球探測任務。例如，在發(fā)射月球探測器時，主要是根據(jù)地球與月球的空間位置關系、停泊軌道和奔月軌道的各種參數(shù)，同時也考慮節(jié)約燃料的原則來選擇發(fā)射窗口。月球圍繞地球運動的軌道平面與地球赤道有一個傾角，這個傾角決定了赤緯范圍。只要奔月軌道遠地點的緯度范圍小于赤緯的范圍，原則上每天都有一次發(fā)射機會。而緯度調(diào)節(jié)范圍在這個傾角范圍以內(nèi)且軌道傾角比較小時，每個月發(fā)射的機會就多一些;當軌道傾角比較大時，發(fā)射機會就要少一些。

日窗口? 以某日內(nèi)某時刻到另一時刻的形式表示，一般用于近地軌道、地球同步轉移軌道任務的衛(wèi)星、飛船等航天器的發(fā)射任務。發(fā)射窗口主要與位置關系、航天器運行狀態(tài)和軌道有關。我國長征三號乙火箭發(fā)射北斗三號衛(wèi)星時，就選擇了日窗口。

零窗口? 在預先計算好的發(fā)射時間分秒不差地發(fā)射出去，不允許有任何延誤與變更。

其實，對于航天發(fā)射任務，一般都會同時計算兩種或三種發(fā)射窗口。發(fā)射行星際探測器也會同時選擇年、月和日發(fā)射窗口，最終的發(fā)射時間由日窗口確定。而零窗口發(fā)射對任務實施來說難度較大，卻具有效率更高、更節(jié)省燃料等優(yōu)點。

2021年全年發(fā)射次數(shù)“40+”

從中國航天科技集團有限公司獲悉，航天科技集團2021年計劃安排40余次（40+）宇航發(fā)射任務，載人航天空間站工程進入關鍵實施階段，是全年宇航任務重中之重;“天問一號”實施我國首次火星“繞、落、巡”探測;將重點開展空間站實驗艙、載人月球探測關深階段的研制工作，重點加快推動北斗導航國家戰(zhàn)略在民用航空等領域應用落地。

據(jù)介紹，航天科技集團2021年型號科研生產(chǎn)任務呈現(xiàn)出四大特點：一是發(fā)射和飛行試驗次數(shù)再創(chuàng)新高，重大工程和首飛任務影響巨大;二是型號研制技術攻關難度大，產(chǎn)品質(zhì)量控制風險高;三是批產(chǎn)交付持續(xù)保持高強度，柔性制造和規(guī)模化生產(chǎn)能力亟待加強;四是市場競爭愈發(fā)激烈，精細化經(jīng)營管理和成本控制勢在必行。（《航空知識》 錢蔚/文等）