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什么時候去火星合適?發射窗口有話說
[ 發布時間:2018-03-22 ]   [ 信息來源: 《科技日報》 ]  [ 字號: ]

  航天技術的發展為天文觀測提供了新的手段。運行在近地軌道的哈勃、斯必澤等太空望遠鏡突破了大氣層的阻擋,使天文學家們能夠“原汁原味”地觀測到天體在各個波段發射的信號,而遠赴太陽系邊緣、冥王星軌道的“旅行者”號飛船和“新視野”號飛船,則給天文學家們近距離觀測太陽系行星的機會。近日,中國航天科技集團十一院研究員周偉江透露,我國的火星探測器計劃于2020年發射,目前已完成氣動外形設計,以及氣動力、氣動熱設計工作。


  探測器的發射時間與很多因素有關,其中很重要的一個便是發射窗口。發射窗口是航天發射可以實施的時間范圍,一旦航天器的發射錯過了既定的發射窗口,就需要等待或長或短的一段時間后,才能再次嘗試發射。那么,發射窗口究竟是如何確定的,不同航天器的發射窗口又有哪些不同?


  深空航天器:窗口有時百年一遇


  對發射窗口要求最為苛刻的,要屬飛往火星甚至更遠太空的航天器。受目前人類航天技術的限制,這類航天器一般要選擇比較節省燃料和推力的方式在太空中轉移,無法像一般人想象的那樣可以在失重的太空中自由飛翔。


  以目前開展最多的火星探測為例,要從地球上去往火星,必須通過一條叫做“霍曼轉移軌道”的橢圓形軌道飛行。航天器發射升空后,先在地球附近加速,進入霍曼轉移軌道,再在火星附近減速,被火星捕獲。深空航天器通過霍曼轉移軌道從地球到火星軌道的飛行時間是固定不變的,因此航天器發射時,火星和地球的相對位置必須要使航天器到達轉移軌道的遠日點時,火星剛好在那里“等待”航天器的到來。這樣的發射時機,大約每26個月才會出現一次。錯過之后,就必須等待下一次發射窗口。


  對于一些更為復雜的航天飛行,為了節省燃料,需要借助大行星等天體的引力作用,為飛行器加速。這種飛行被稱作借力飛行。借力飛行對其他行星位置的要求更加苛刻,因此發射窗口之間的間隔就更長。例如,美國“旅行者”號計劃的實施,源于一位工程師發現上世紀七十年代土星、木星、天王星和海王星的相對位置,使得一艘從地球發射的探測器能夠在各個行星附近進行連續的借力飛行,探索火星軌道之外所有的太陽系大行星。而同樣的探測良機再次出現,要等到176年之后了。


  地球附近的飛行器:根據任務定窗口


  為了節省因為變軌而消耗的燃料,航天部門一般希望近地軌道飛行器由火箭發射入軌后,就能在那個軌道上較好地執行任務。資源衛星、照相偵察衛星、中軌道氣象衛星等,一般要求衛星飛到探測目標上空時,目標恰好處于較好的光照條件中。這樣,才能得到質量比較高的觀測數據。所以,這些衛星的發射窗口也是根據衛星“路過”目標區域的時間倒推出來的,以此來保證衛星對目標區域實施有效覆蓋。


  發射地球同步軌道衛星時,由于衛星要在近地軌道和地球同步軌道間的轉移軌道上滑行較長時間,而轉移軌道遠地點進行的變軌操作一般希望在白天進行,以滿足衛星工作對太陽角和日地張角的要求。按照衛星在轉移軌道上的飛行時間反推后,得到的發射窗口一般在夜間,發射窗口的寬度在1小時左右,錯過后就要等待第二天。在發射探月飛船時,在飛行過程中要執行幾次復雜的變軌操作。在此期間,飛船必須處于地面站的有效測控范圍內,來保證變軌的精確完成,這也對發射窗口的選擇做出了限制。


  載人航天交會對接:零窗口發射最精確


  神舟八號、天舟一號等為載人航天服務的飛行器,在發射時都實現了零窗口發射。所謂零窗口,是指根據計算好的發射時間,分秒不差地將飛船發射到太空中去,而不像其他發射那樣,在一段或長或短的時間內均可發射。這些飛船發射到太空中后,要與天宮一號、二號等飛行器實現交會對接。


  要使兩個在太空中高速飛行的航天器準確相遇,又不在中途耗費過多燃料修正軌道,就必須使用零窗口發射這種極其精確的發射方式。零窗口發射并非時間一到就按動發射按鈕那么簡單。由于火箭在起飛前要進行加注燃料、火箭狀態檢查等工作,存在些許不正常現象就要排除異常。像長征七號這種使用低溫燃料的新型火箭,燃料不能太早加注進火箭,應變異常情況的余地更小,零窗口發射的難度也就更大了。幾次零窗口發射的成功,在一定程度上體現了我國航天技術的發展。

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