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天舟1号发射的时间窗口为何选择在4月20日-24日

归档日期:11-21       文本归类:发射时间      文章编辑:爱尚语录

  宇宙飞船的发射窗口是指比较合适宇宙飞船与运载器组合体发射的一个时间范围。这要根据所要对接的目标飞行器运行轨道条件、宇宙飞船的轨道要求、工作条件要求和地面跟踪测控通信、空间碎片规避、气象要求等,建立一个数学模型、输入相关数据,再经过精心计算推导出来的,因此比较复杂,制约因素多多。其发射窗口宽度有宽有窄,宽的以小时计,甚至以天计算,窄的只有几十秒钟,甚至为零。

  由于每艘宇宙飞船承担的任务不同,宇宙飞船上安装的仪器、设备使用要求不同,所以它们对发射窗口提出了种种要求和限制条件,而这些要求有时又互相矛盾,因此选择什么时间发射就必须考虑各方面的要求,经综合平衡后选择一个比较合适的发射窗口。影响和限制发射窗口的主要因素有:

  选在傍晚或黎明前来发射宇宙飞船有利于地面观测,因为这时太阳处在地平线附近,发射场区及运载器飞行路过地区的天空比较暗淡,而运载器点火升空到一定高度后就能受到阳光照射,使反射阳光的箭体与背景天空形成较大的反差,从而使地面的光学跟踪测量仪器可以清晰地跟踪测量火箭的飞行轨迹,观察运载器飞行中的姿态和外部形象,跟踪测量和观察效果比较好。一般认为,在日落15分钟以后或日出15分钟以前的发射算作夜间发射。

  发射载人飞船通常选在白天进行,目的是便于进行发射前的准备工作和发射时观察、监测,以保证载人航天的安全。发射货运飞船则可以选在晚上,以便发射升空后便于观测。

  目前,宇宙飞船上大多采用太阳电池供电,所以当宇宙飞船进入轨道时,希望是在地球受到太阳照射的一面,这时太阳电池翼与太阳的相对方位能使其产生足够电能,保证宇宙飞船上的各种仪器设备正常工作。如果阳光垂直照射在太阳电池翼上,所产生足够的电能最大;在非直射状态下,太阳电池翼的效能就会降低。所以,宇宙飞船时入轨后应处在有阳光的日照区,使飞船上的太阳电池翼可以正常工作。选择在不同时刻发射飞船,飞船在绕地球飞行期间,处于阳光照射区和地球阴影区的时间会有很大差异,因此,必须选择合适的发射窗口,确保飞船在轨道上有合适的受晒因子,保证飞船有一定的时间处于阳光照射区。

  宇宙飞船进入轨道后,需要利用宇宙飞船上的姿态测量设备(如红外地球敏感器、太阳敏感器等)测量宇宙飞船的飞行姿态,以便调姿并进入稳定的飞行姿态。宇宙飞船上的姿态测量设备工作时,需要宇宙飞船、地球和太阳处在一个较好的相地位置,这时测量宇宙飞船的飞行姿态精度较高。

  由于地球温度比较高,安装在宇宙飞船上的地球敏感器的红外光线很容易发现并对准地球进行测量,但是如果有太阳光照射到红外镜头或视场,就会产生干扰,导致仪器出现故障。为了保证红外地球敏感器的正常测量,需要避开太阳光的辐射影响并选择一个合适的角度。宇宙飞船在太空运行会受太阳辐射影响,太阳照射面积的大小、角度不同,将使宇宙飞船吸收不同程度的热量。要保证宇宙飞船内环境温度适宜、有一定的散热条件,从而使宇宙飞船温控适度,同样需要选择一个合适的角度。宇宙飞船入轨后,有效载荷需要对地进行观测,这也需要选择一个合适的角度保证对地观测姿态。

  宇宙飞船发射的最佳气象条件主要包括:无降水、地面风速小于8米/秒、水平能见度大于20千米;发射前8小时至发射后1小时,场区30~40千米范围内无雷电活动;船箭发射所经过的空域,3~18千米高空最大风速小于70米/秒。影响发射的最重要的天气因素是距地面8~15千米的高空风,因为如果风速太大会影响火箭的姿态;如果上下层风速不一样,或者风的方向不一样,可能使火箭发生扭曲。

  包括神舟11号载人飞船在内,中国载人航天发射大都集中秋冬两季,只有神舟9号、10号飞船是在6月中旬升空。从1981年到2011年间30年的气象资料显示,酒泉卫星发射场地区在秋冬季基本没有雷电,夏季雷电发生频率约每月2.6次。所以将面临雷电、高温等天气考验。这种极端小概率天气虽然发生频率不高,但可能造成灾难性后果。在可能干扰载人航天发射的雷电、大风、降水、电场强度等几大气象条件中,雷电影响最大。另外,火箭推进剂在温度过高时可能汽化,温度过低则可能凝固,甚至导致部分元器件失灵。高温对逃逸塔上固体发动机影响最大,其额定温度是20℃,正负10℃范围内温度都能够适应。在进行液体推进剂加注,如果温度过高会导致汽化。为此在加注前将进行降温,以降低燃料的初始温度。

  由于天宫2号、神舟11号都是在酒泉发射场用长征2号F运载火箭发射,而天舟1号是在新建的海南文昌航天发射场用长征7号新一代中型运载火箭发射,所以天舟1号选在4月份发射,不仅与天宫2号升空时间、设计寿命、与神舟11号载人飞船交会对接运行、天舟1号的研制进度有关,还与海南文昌航天发射场的天气因素有关。

  如果是发射载人飞船,飞船从轨道返回地面时一般都希望在白天,以便寻找落地后的宇宙飞船;同时希望气象条件较好、没有大风等恶劣天气,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。

  中国还使用“远望”系列远洋测量船。所以还要考虑远洋测量船所在海域的天气情况。

  如果发射执行交会对接任务的追踪飞船,需要对目标飞行器进行追踪,并使两个飞行器在同一时间、以相同速度到达空间的同一点,从而完成两个飞行器的空间对接。与一般飞船相比,追踪飞船的发射窗口必须要满足对接轨道的要求。交会对接时,要求追踪飞船和目标飞行器在同一轨道的同一位置上。目前,通常采用的交会对接方案是:在追踪飞船发射前,先调整好目标飞行器的轨道高度和初始相位(指追踪飞船入轨时刻,追踪飞船和目标飞行器对地心的张角),随后将追踪飞船发射到一个比目标飞行器低的轨道上(称为调相轨道)。追踪飞船在调相轨道上飞行若干圈,调整两个航天器的相位,并在预定的圈次从调相轨道上经过多次变轨,实现与目标飞行器的交会对接。

  在发射用于交会对接的天舟1号追踪飞行器时,必须在发射场与天宫2号空间实验室处在一个有利的相对位置时来发射,这样可以节省大量燃料。因为改变航天器的轨道平面,需要消耗大量的推进剂。为了节省推进剂,使两个航天器基本共面,一般要求追踪飞船的发射窗口只有几秒钟,对地面发射控制的要求更为严格。在发射天舟1号货运飞船时,为了使天舟1号与天宫2号空间实验室的轨道在一个平面上,以便进行交会对接,要求天舟1号在零窗口发射。所谓零窗口发射是指在预先计算好的发射时间,分秒不差地将火箭点火升空,不允许有任何延误与变更。

  天舟1号发射的零窗口是根据发射前天宫2号的轨道参数来确定的,目的是将天舟1号发射到与天宫2号共面的轨道上,也就是要求火箭确保入轨时的升交点经度和轨道倾角精度。由于地球自转和升交点西移,为使天舟1号与天宫2号的轨道共面,天舟1号必须在天宫2号轨道面经过发射点后的某一时刻准时点火起飞,误差小于1秒,即零窗口发射,否则就需要消耗很多的推进剂来修正两者之间的轨道面偏差。实现零窗口发射与发射场系统也有重要关系。

  天宫2号的轨道参数主要有轨道周期、轨道高度、倾角、近地点俯角、升交点赤经、扁心率六项。北京航天飞行测控中心通过测算天宫2号在轨轨道参数,确定了天舟1号飞船的零窗口发射时刻。随后,对运载火箭系统参数进行了精确的设置。

  长征7号零窗口发射要求发射时采用自动点火,其主要原因有两个:一是以前点火设备的可靠性不是很高,而现在点火设备的可靠性提高了;二是如果采用手动点火,手有1~3秒的反应时间,要实现零窗口准时发射就必须要自动发射。虽然天舟1号的发射有窗口的宽度,即时间的宽度,但是瞄准了前沿来实施最省燃料。

  总之,发射窗口的选择与确定受到各种因素的影响,除了火箭、飞船的研制进度外,影响发射时机的主要因素还包括火箭、飞船发射气象条件的影响,即根据天气预报情况,选择满足火箭、飞船发射要求的时机;火箭、飞船、发射场、测控等系统的实际准备情况,要将发射时间定在各系统满足发射条件后的时段;考虑地面跟踪测量系统的工作条件要求,比如远洋测量船工作海域的天气情况、海浪情况,发射场光学测量设备的能见度、太阳角度等;要考虑发射场、着陆场对航天员搜救的要求,如选择的发射时机要有利于救生的准备、落点的预报和搜索,着陆场不能有大风、沙尘、雷电等恶劣天气。

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