如何为航天发射选个“良辰吉日”？

4月20日19时41分，中国第一艘货船“天舟1号”成功下水。细心的小伙伴经过计算后指出，“练习13”卫星于去年4月12日19: 04发射，“胖五”卫星于去年11月3日20: 40发射...飞船都是夜猫子吗，更喜欢在晚上发射？真的是这样吗？让我们先看看这两个统计数据。

2013年中国航天发射活动统计(来源:航天港)

2015年中国航天发射活动统计(来源:中国运载火箭技术研究院官方网站)

不难看出，虽然宇宙飞船里有许多夜猫子，但白天也有许多发射，这似乎是不规律的。那么，太空发射的吉日是如何确定的呢？

什么是太空发射的“好日子”？

至于太空的发射时间，专业而生动的表达被称为“发射窗口”，它指的是允许飞船发射的一组时间，而不是某个时间点。

发射窗口，顾名思义，我们知道这个窗口又宽又窄。同样，发射时间的范围也是大大小小的。发射窗口一般可分为三种类型:一是每日计数窗口，即发射日期已经确定，但具体时间尚待确定；一个是每月的统计窗口，也就是说，发布月份已经确定，发布日期仍然未知。还有一个年度计数窗口，它只指定发射的年份和可能发射的月份。

太空发射是一项非常困难的技术任务。有些人曾将其描述为“刀尖上的舞蹈”。然而，除非遇到恶劣天气，火箭一般可以全天候发射。然而，一旦“携带”这个词被加到火箭的前面，重担就落在了肩上。运载火箭就像一个驾驶员。飞船的乘客对何时、如何以及在哪里驾驶汽车拥有最终决定权。受载荷类型、目标任务和气象条件等诸多因素的影响，不同类型航天器的发射时间选择是不同的。

发射台上的联盟号火箭(来源:欧空局官方网站)

一般来说，宇宙飞船飞得越远，发射窗口就越宽。例如，当在低地球轨道发射卫星、航天器和空间站时，发射时间几乎是每天一次，因此选择了日光仪窗口。当发射行星和月球探测器时，每个月只有几天符合最佳发射条件，因此选择了月亮计数窗口。然而，星际探测器的发射需要一个年度窗口，因为对于飞越大面积区域的探测器来说，它们有利的探测位置只能每隔几年甚至几百年遇到一次。

无论航天器最初选择哪个发射窗口，一旦发射被确认，它最终将返回到日光仪窗口。它应该什么时候推出？这是一个非常复杂的科学问题。发射时间有许多限制，包括照明条件、姿态控制、恢复时间、交会对接等。科学家通过建立各约束条件与发射时间之间的计算公式，分别计算出相应的发射窗口，然后将共同部分作为航天器的最终发射时间。

欧空局2003年发射的火星快车探测器的发射窗口每26个月才出现一次(资料来源:欧空局官方网站)

任务限制是最关键的

航天器能否准确进入轨道并成功完成预定任务是衡量发射成功的关键，因此确定发射时间的最关键因素是航天器的任务约束。

蝌蚪的小伙伴在看新闻时一定注意到了“天舟1号”的发射窗口是一个奇妙的“零窗口”。这到底是什么？所谓的零窗口意味着发射窗口非常窄，几乎没有调整发射时间的余地。这项技术的操作和流程相当复杂。选择零窗的原因是“天舟一号”需要完成与“天宫二号”的交会对接。只有将“天舟一号”的发射点纳入“天宫二号”的轨道平面后，才能发射，以保证两个航天器共面，顺利完成“快递”任务。在考虑了共面性等因素后，研究人员仔细计算出发射时间为4月20日19: 41: 28，发射期间不允许有一秒钟的偏差。

“天宫二号”和“天舟一号”组合在轨推进剂补充试验动画演示(来源:中国航天科技集团官方网站)

除了交会对接航天器之外，执行特定任务的卫星的发射时间也需要根据任务类型进行外推。气象卫星和海洋卫星等遥感卫星的主要任务是监测地球。当他们观察目标区域时，他们需要良好的照明条件。然而，我们知道，由于地球自转和火箭发射角度的影响，火箭发射后的轨迹不是直线上升和下降，这导致卫星的入轨位置和发射场位置之间的偏差。发射在白天进行，但轨道进入位置可能在地球的阴影区域。因此，许多卫星必须在夜间发射，以确保轨道进入位置和时间满足观测要求。

应考虑气象照明

宇宙飞船对恶劣的天气非常反感。它们喜欢在发射前后无降水、地面风速小于8米/秒、场地附近无闪电活动的天气条件下在空中飞行。

我国的酒泉、西昌和太原发射场在选址时充分考虑了当地干旱少雨的特点。避雨和尽量选择晴天的原因是，雨滴击中高速火箭壳体时会破坏其隔热瓦，另一方面，雨水会削弱无线电波，不利于航天器的远程监测。然而，“天舟一号”飞船选择了下雨的文昌航天发射场，而不是零窗口发射。它应该做什么？为此，研究人员特意在“长征七号”上增加了防雨防水的新技术，使其成为我国第一枚防水火箭，从而实现了恶劣天气条件下的零窗口发射。

“长征七号”发射时刻(来源:*电视台军事频道)

除了降雨，大气层内外的其他气象条件也对空间发射有很大影响。例如，在大气层中，雷击和乌云可能会对火箭和航天器上的电子设备造成损害。在大气层之外，太阳黑子活动和电磁风暴等空间天气环境也可能导致发射任务失败。

对发射影响最严重的是15千米高空的大风。如果风速很高或者上下两层的风速和风向不同，将会极大地影响火箭的飞行姿态和结构。因此，要求发射时航天器通过的空域最大风速不能超过70米/秒。正是考虑到上述多种气象条件，我国大部分载人航天器是在秋冬两季发射的。

如前所述，对于一些执行特殊任务的卫星，照明是决定发射时间的一个重要因素。事实上，对于其他航天器，照明条件也需要考虑。中国的神舟一号于1999年11月20日上午6: 30发射。虽然在发射时并不明亮，但飞船进入轨道后就处于光亮区。因此，太阳能电池翼可以产生足够的电力，使航天器上的仪器能够正常工作。

神舟一号飞船(来源:www.astronautix.com)

当然，对于神舟系列返回飞船和其他返回卫星来说，仅仅保证进入轨道时的照明条件是不够的。为了使他们返回地面后容易被发现，应该允许他们在白天返回，并且为了使降落伞顺利打开，他们还应该避免恶劣的天气，例如强风。因此，在选择发射时间时，应充分考虑返回时的天气和光线条件。

承载能力是必需的

自从人类发明现代飞机以来，每一分钱都花在飞机的重量上了。据报道，“天舟一号”的外墙板虽然只有3毫米左右，但科研人员仍然充分发挥了“抓泥截铁”的“吝啬”精神。通过控制加工温度、切削速度等参数，“天舟1号”已经损失了30公斤。同样，为了装载更多的货物和节省燃料，人们正在绞尽脑汁选择发射时间。

由于天体的旋转和公转，如果卫星要精确地到达预定位置，就必须完成多个环节，如入轨和变轨。为了节省宝贵的燃料，从发射开始的每一个环节都必须在时间上非常精确，这样发射的窗口就会非常窄甚至为零。让我们以中国第一个月球轨道飞行器嫦娥一号为例。事实上，“天舟一号”使用的零窗口发射并不新鲜。早在十年前，它就出现在中国人的眼中。2007年10月24日18:05:04，嫦娥一号卫星在西昌卫星发射中心成功发射。这是中国首次使用零窗口发射航天器。由于零窗口发射，嫦娥一号能够沿着捷径到达目的地，从而节省了近120公斤的燃料(总共只有1200公斤)。后来“嫦娥二号”、“神舟八号”和“神舟九号”也从零窗口发射，有效地提高了航天器的运载能力。

嫦娥五号飞行试验轨道示意图(来源:新华社)

应考虑观察设备

这里提到的观测设备包括两个方面，一是面向火箭和航天器的跟踪观测设备，二是航天器搭载的姿态测量设备。

当航天器和天空之间的亮度差很大时，地面测量和控制设备可以很容易地捕捉到航天器的行踪，这就是为什么早期的卫星通常选择在夜间或黎明前发射。根据美国宇航局的规定，日落后15分钟的发射是夜间发射。选择发射周期是因为太阳接近地平线。当火箭飞到一定高度时，会形成强烈的反射。此时，发射场和火箭通过的区域一片黑暗，这与火箭形成了鲜明的对比。一个典型的例子是1970年4月24日21时35分发射的中国第一颗人造地球卫星“东方红一号”。尽管在发射时它是不透明的，但在轨道上的卫星暴露在阳光下，使得它在地面上肉眼可见。

航天器进入轨道后，为了调整姿态以实现稳定飞行，有必要利用各种姿态测量装置对其飞行姿态进行监测，如红外地球传感器和自身携带的太阳传感器。然而，姿态测量设备非常容易受到光的干扰和故障，这就要求航天器、地球和太阳处于一个更好的相对位置，从而使姿态测量设备能够避免阳光辐射。

中国第一颗气象卫星“风云一号”因强烈的太阳活动而失控，仅工作了39天(资料来源:中国航天科技集团官方网站)

上述是选择发射窗口时需要考虑的几个主要因素。此外，还应考虑温度和避碰等因素。这些因素经常相互矛盾。科学研究人员将根据各种条件计算出的发射窗口进行排序，综合权衡安全性和经济性后选择最合适的发射时间。总之，航天器的发射时间可以说相差很大。何时发射取决于航天器的任务、天体运行规律、气象照明等条件。

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参考:

[1] GB/T 29072012《航天器发射窗口设计指南》，[。*国家标准，2012。

黄文德，Xi萧宁，王伟。[10][，近地轨道载人登月发射窗口的分析与设计.天文进展，2010，28(3):310-319。

李海洋，彭启波，周莹，等.航天器交会对接发射窗口分析[[J].中国航天学报，2009，30(5):186 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.