漫話航天發(fā)射窗口

文/尹懷勤

在與航天相關(guān)的報道中，我們經(jīng)常會聽到“發(fā)射窗口”這個詞，這是什么意思呢？今天我們就來講一講。

航天發(fā)射窗口是指有利于發(fā)射航天器的一段時間間隔，只有在這一段時間內(nèi)發(fā)射航天器才能保證航天器按規(guī)定的時間和地點進入預定軌道，開展航天活動。探測太陽系行星及其他天體的航天器，發(fā)射窗口是保證其能與目標飛行物相遇的最佳發(fā)射時機。發(fā)射窗口有寬有窄，寬的以小時計，甚至以天計、月計或以年計；窄的則只有幾十秒鐘。對于航天器而言，發(fā)射窗口的選擇至關(guān)重要，如果未能在此窗口發(fā)射，則必須等待下一次的發(fā)射窗口到來。

發(fā)射窗口的分類

◎太陽系行星發(fā)射窗口時間表

發(fā)射窗口分為年計發(fā)射窗口、月計發(fā)射窗口、日計發(fā)射窗口和零計發(fā)射窗口。

年計發(fā)射窗口，即規(guī)定某年內(nèi)允許連續(xù)發(fā)射的月份，適用于星際探測任務。太陽系八大行星中，數(shù)飛往火星的有利發(fā)射時機間隔時間最長，需要26個月才有一次機會。也就是說，每2年零2個月才有一次向火星發(fā)射探測器的窗口。

月計發(fā)射窗口，即規(guī)定某個月內(nèi)允許連續(xù)發(fā)射的天數(shù)，適用于行星和月球探測任務。水星發(fā)射窗口每隔116天即不到4個月就出現(xiàn)一次。

日計發(fā)射窗口，以某日內(nèi)某時刻到另一時刻的形式表示，適用于各種航天器。對于一般衛(wèi)星和導彈的發(fā)射，只需規(guī)定日計發(fā)射窗口。

零計發(fā)射窗口，零窗口發(fā)射是指在一定長度的發(fā)射窗口時間內(nèi)，緊貼窗口上沿即最優(yōu)時間實施發(fā)射，而且時間誤差只能在正負1秒間。采用零窗口發(fā)射，需要按預先計算好的發(fā)射時間，分秒不差地將火箭點火升空，不允許有任何延誤與變更。

2007年10月24日18時5分4秒，在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，嫦娥一號衛(wèi)星成功發(fā)射升空就是釆用的零窗口發(fā)射。正因為零窗口發(fā)射，嫦娥一號節(jié)省了120千克衛(wèi)星燃料，才有了2009年3月1日的成功撞月。本來，嫦娥一號的發(fā)射窗口預留了35分鐘，在這35分鐘內(nèi)都可以發(fā)射，但技術(shù)人員計算發(fā)現(xiàn)在最后一分鐘發(fā)射與在第一分鐘發(fā)射相比，衛(wèi)星燃料將多損失120千克，這對總共只有1 200千克燃料的嫦娥一號來說是很大的損失，將直接影響其工作時間和工作壽命，所以技術(shù)人員立即決定在第一秒內(nèi)發(fā)射。

2018年12月8日2時23分，嫦娥四號探測器也選擇了零窗口發(fā)射，并成功進入預定軌道。至此，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空的所有探月衛(wèi)星均實現(xiàn)了零窗口發(fā)射。

發(fā)射窗口的選擇

早期火箭的發(fā)射窗口主要是根據(jù)光學觀察條件來確定的，以便對火箭飛行進行光學測量研究。應用衛(wèi)星等航天器出現(xiàn)后，航天器對發(fā)射條件的要求更為復雜，這時光學觀察就成了次要的條件。由于航天器的功能、用途和要達到的目的各不相同，各類航天器對運載火箭的發(fā)射條件也有不同的要求，相應發(fā)射窗口也不盡相同。

一般來說，選擇發(fā)射窗口需要滿足以下幾個條件：1.太陽照射航天器飛行下方地面目標的光照條件；2.航天器太陽帆板與太陽光線的相對關(guān)系（保證太陽能電池供電的要求）；3.航天器姿態(tài)測量精度要求的地球、航天器、太陽之間合適的幾何關(guān)系；4.航天器溫度控制要求太陽只能照射航天器某些部分；5.航天器處于地球陰影內(nèi)時間長短的要求；6.航天器著落回收時間的要求；7.對航天器軌道面的特定要求；8.地球與航天器等目標天體相對位置的要求；9.其他如地面跟蹤測量條件、氣象條件等要求。

保證運載火箭成功發(fā)射航天器的技術(shù)要求叫作發(fā)射條件。為了保證發(fā)射圓滿成功，應該讓參與發(fā)射的各項設備和系統(tǒng)都處于最佳狀態(tài)。但由于設備和系統(tǒng)很多，制約因素之間存在著矛盾，要使它們都處于最佳運轉(zhuǎn)狀態(tài)是很困難的，甚至是不可能的。因此，通常會規(guī)定一個最低程度的發(fā)射條件。它由發(fā)射控制系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)、通信與時間統(tǒng)一系統(tǒng)、氣象保障系統(tǒng)等分頭確定，然后由發(fā)射部門進行綜合分析，根據(jù)不同發(fā)射時段對實現(xiàn)發(fā)射目的的影響程度，排出綜合的最佳發(fā)射窗口、較好發(fā)射窗口和允許發(fā)射窗口。

◎嫦娥二號發(fā)射入軌示意圖

能否從多個互相牽制的因素中選出正確的發(fā)射窗口，是航天發(fā)射的一項重要工作，它關(guān)系到運載火箭和航天器是否能夠成功發(fā)射入軌。如果發(fā)射窗口沒有選擇好，發(fā)射失敗或航天器無法達到它的功用，那就造成了人力、物力的極大浪費。我們說航天技術(shù)既復雜又困難，不僅體現(xiàn)在航天設備的制造方面，還體現(xiàn)在選擇發(fā)射窗口這樣的細節(jié)工作上。同學們，你們是不是也從“發(fā)射窗口”這個航天技術(shù)的小“窗口”中窺見了航天事業(yè)的龐雜了呢？