如何為航天發射選個「良辰吉日」？

4月20日19時41分，我國第一艘貨運飛船「天舟一號」成功發射。細心的小夥伴掐指一算髮現，「實踐13號」衛星是在4月12日19時04分發射的，而「胖五」是在去年11月3日20時40分發射的……難道航天器都是夜貓子，偏愛在晚上發射？事實真的如此嗎？我們先來看兩張統計表。

2013年中國航天發射活動統計（來源：航空航天港）

2015年中國航天發射活動統計（來源：中國運載火箭技術研究院官網）

不難看出，儘管航天器中不乏夜貓子，但白天發射的也不少，看起來似乎並沒有規律性。那麼，航天發射的良辰吉日究竟是怎麼確定的呢？

什麼是航天發射的「良辰吉日」？

關於航天發射時間，專業又形象的說法叫「發射窗口」，它是指允許航天器發射的一個時間集合，而非一個確定的時間點。

發射窗口，顧名思義，我們知道窗戶有寬有窄，同樣的，發射時間的範圍也有大有小。發射窗口通常可分為3種：一種是日計窗口，就是說發射日期已經確定，但具體時刻待定；一種是月計窗口，即發射月份確定，哪一天發射仍未知；還有一種是年計窗口，它只指定了發射年份和可能發射的月份。

航天發射是個高難度技術活，有人曾形容其是「刀尖上的舞蹈」，不過，除非遭遇惡劣天氣，一般而言火箭自身是能夠全天候發射的。可是一旦火箭前面多了「運載」二字，就重擔在肩身不由己了，運載火箭就像一位司機，車何時開、如何開、往哪開，主要由航天器這位乘客說了算。受載荷類型、目標任務、氣象條件等諸多因素影響，對於不同類型的航天器，運載火箭對發射時間的選擇是不同的。

發射台上的「聯盟號」火箭（來源：歐空局官網）

一般來說，航天器飛得越遠，發射窗口就越寬。譬如，在發射近地軌道的衛星、飛船和空間站時，發射時機幾乎每天都有，因而選擇日計窗口；發射行星和月球探測器時，每個月中只有幾天滿足最佳發射條件，所以選擇月計窗口；而發射行星際探測器時則需要年計窗口，這是由於對於大範圍飛行的探測器，其有利的探測位置往往幾年甚至幾十上百年才能遇到一次。

不管航天器最初選擇何種發射窗口，一旦確定發射，最終都要回歸到日計窗口上來，那具體應該在什麼時刻發射呢？這是一個十分複雜的科學問題，發射時間的限制條件繁多，包括光照條件、姿態控制、回收時間、交會對接等等。科學家們通過建立每個限制條件和發射時間之間的計算公式，分別算出相應的發射窗口，然後取其共同部分便是航天器最終的發射時間。

歐空局於2003年發射的「火星快車」探測器，其發射窗口每26個月才出現一次（來源：歐空局官網）

任務約束最關鍵

航天器能否準確入軌並順利執行預定任務是衡量發射成功與否的關鍵，因此決定發射時間最關鍵的因素便是航天器的任務約束。

蝌蚪的小夥伴在看新聞時一定注意到了「天舟一號」的發射窗口是比較奇葩的「零窗口」，這是個什麼鬼呢？所謂零窗口是指發射窗口非常窄，發射時間的調整餘地很小，該技術的操作和流程頗為複雜。之所以會選擇零窗口，是由於「天舟一號」需要完成與「天宮二號」交會對接的任務，只有當「天舟一號」的發射點包含在「天宮二號」的軌道面內的時段內才可發射，這樣才能保證兩個航天器共面，順利完成「送快遞」的使命。科研人員在考慮共面等因素後，經過精心計算將發射時間確定為4月20日19時41分28秒，發射時不允許有一秒的偏差。

「天宮二號」與「天舟一號」組合體在軌補加推進劑試驗動畫演示（來源：中國航天科技集團官網）

除了交會對接的飛船，對於執行特定任務的衛星，其發射時間也需要根據任務類型來反推。氣象衛星、海洋衛星等遙感衛星的主要任務是對地監測，當它們對目標區域進行觀測時，需要有良好的光照條件。然而，我們知道由於地球自轉和火箭發射角度的影響，火箭在發射後，其飛行軌跡並不是直上直下的，這就導致衛星入軌位置與發射場的位置存在偏差，發射的時候是白天，但入軌的位置卻可能在地球的陰影區中。因此，為了保證入軌位置和時間滿足觀測需求，很多衛星只好在晚上發射。

氣象光照要考慮

航天器對惡劣天氣十分厭惡，他們最喜歡在無降水、地面風速小於8米/秒、發射前後場區附近無雷電活動的氣象條件下上天。

我國的酒泉、西昌、太原三個發射場在選址時便充分考慮了當地乾燥少雨的特點，之所以要避開降雨而盡量選擇晴朗的天氣，一方面是由於雨滴在撞向高速飛行的火箭時會摧毀其外殼隔熱瓦，另一方面是由於雨水會削弱無線電波，不利於航天器的遙控監測。然而，「天舟一號」飛船既要實現零窗口發射，卻又偏偏選擇了多雨的文昌航天發射場，怎麼辦呢？為此，科研人員特地給「長征七號」增加了防雨防水的新技能，讓它成為了我國第一款防水火箭，這樣即使天氣狀況不佳，也能實現零窗口發射。

「長征七號」發射瞬間（來源：CCTV軍事）

除了降雨，大氣層內外的其他氣象條件也對航天發射有很大影響。比如，在大氣層內，雷擊和烏雲很可能導致火箭和航天器上的電子設備損毀；而在大氣層外，太陽黑子活動、電磁暴等空間天氣環境也可能使發射任務失敗。

這其中對發射影響最嚴重的便是海拔8至15千米的高空風，如果風速很大或上下層的風速和風向不同，會大大影響火箭的飛行姿態和結構，因此便要求航天器在發射時其所經過的空域最大風速不能超過70米/秒。正是在考慮了以上諸多氣象條件後，我國的載人飛船大多都選在了秋冬二季進行發射。

前面提到過對某些執行特殊任務的衛星，光照是確定發射時間的一個重要因素，其實對於其他一些航天器，也需要考慮光照條件。我國的「神州一號」是在1999年11月20日凌晨6點30分發射的，雖然發射時天還沒亮，但飛船入軌後卻正好處於光照區，如此一來，太陽電池翼就能產生足夠的電能，讓飛船上的儀器可以正常工作。

當然，對於神州系列返回式飛船及其他返回式衛星而言，僅僅保證發射入軌時的光照條件是不夠的。為了使它們在返回地面後易於尋找，應當讓它們在白天返回，而為了讓降落傘能順利打開，還要避開大風等惡劣天氣。因此，在選擇發射時間時就要充分考慮返回時的氣象和光照條件。

運載能力有要求

自人類發明現代飛行器以來，一直都在飛行器的重量上錙銖必較。據報道，儘管「天舟一號」的外部壁板僅為3毫米左右，但科研人員還是充分發揮了「奪泥燕口，削鐵針頭」的「摳門兒」精神，通過控制加工溫度及切削速度等參數，愣是讓「天舟一號」成功瘦身30千克。同樣，為了能多裝貨物和節約燃料，人們在發射時間的選擇上也是絞盡腦汁。

由於天體存在自轉和公轉，若想讓衛星精確抵達預定位置，就要完成入軌、變軌等多個環節，為了節省珍貴的燃料，從發射起的每個環節都要在時間把握上十分精準，這樣可供發射的窗口便會很窄甚至是零窗口。這裡不妨以我國第一顆繞月人造衛星「嫦娥一號」為例。實際上，「天舟一號」採用的零窗口發射並非什麼新鮮事，早在10年前就出現在了國人的視野中。2007年10月24日18時05分04秒，「嫦娥一號」衛星從西昌衛星發射中心成功發射升空，這是我國第一次採用零窗口發射航天器。由於採用零窗口發射，「嫦娥一號」得以沿著捷徑到達目的地，從而節約了近120千克燃料（燃料總共僅1200千克）。後來的「嫦娥二號」、「神州八號」、「神舟九號」等等也都是零窗口發射，航天器的運載能力都得到了有效改善。

「嫦娥五號」飛行試驗器軌道示意圖（來源：新華社）

觀測設備需兼顧

這兒所說的觀測設備包括兩個方面，其一是地面對火箭和航天器的跟蹤觀測設備，其二是航天器攜帶的姿態測量設備。

當航天器和天空之間的亮度差異較大時，地面的測控設備很容易捕捉到航天器的行蹤，早期的衛星多選擇晚上或黎明前發射正是出於這個原因。按照NASA的規定，日落15分鐘後的發射即是夜間發射，選擇這一時段發射是因為此時太陽位於地平線附近，當火箭飛到一定高度後便會形成強烈的反光，而此時發射場和火箭行經區域天色較暗，和火箭形成很大反差。典型案例有我國1970年4月24日21時35分發射的第一顆人造地球衛星「東方紅一號」，雖然發射時伸手不見五指，但入軌後的衛星卻由於受到陽光照射，使人們在地面上用肉眼就能看到。

當航天器入軌後，為了便於調節姿態以達到穩定飛行，需要採用自身攜帶的紅外地球敏感器、太陽敏感器等多種姿態測量設備進行飛行姿態監測。然而，姿態測量設備卻極易受到光照的干擾而發生故障，這就要求航天器、地球與太陽必須處於較好的相對位置，以使姿態測量設備避開陽光輻射。

我國發射的第一顆氣象衛星「風雲一號」A星，該衛星由於遭遇強烈的太陽活動，姿態失控，僅工作了39天（來源：中國航天科技集團官網）

以上所說的是選擇發射窗口時需考慮的幾個主要因素，另外還需考慮溫度、防撞等因素，這些因素經常相互矛盾，科研人員會將由各個條件計算得到的發射窗口進行優劣排序，綜合平衡安全性和經濟性後，選擇最適宜的發射時間。總之，航天器的發射時間可謂千差萬別，究竟何時發射，要根據航天器的任務、天體運行規律、氣象光照等條件具體分析。

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參考文獻：

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[2] 黃文德,郗曉寧,王威. 從近地軌道入軌的載人登月發射窗口分析與設計[J]. 天文學進展, 2010,28(3):310-319.

[3] 李海陽,彭祺擘,周英,等. 航天器交會對接發射窗口分析[J]. 宇航學報,2009,30(5):1861- 1865.

[4] http://www.nasa.gov/missions/highlights/schedule101.html.

[5] http://www.calt.com/n488/n753/c4875/content.html.

[6] http://space.stackexchange.com/questions/13086.

[7] http://war.163.com/17/0420/13/CIFHPE7T000181KT.html.

[8] http://ask.kedo.gov.cn/zhidao/aerospace/881008.shtml.

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