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发射窗口,你真的懂吗澎湃在线

来源:遥感 时间:2023/6/14
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在发射火箭和航天器时

常常提到“发射窗口”

那么,什么是发射窗口呢?

发射窗口其实就是允许火箭和航天器发射的时间范围,这个范围的大小也叫做发射窗口的宽度。窗口有宽有窄,宽的以小时计,甚至以天计,窄的只有几十秒钟,甚至为零。对于航天器而言,发射窗口的选择至关重要。如果未能在此“窗口”发射,则必须等待下一次的发射窗口。

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不同的发射任务,发射窗口不同

如果发射的航天器只要求进入地球的任意轨道即可,那么几乎任何时间皆可发射;

如果发射的航天器必须与在轨的太空站或其他航天器会合,则发射时间必须控制在目标物的轨道平面通过发射地点的时候,这样两个航天器在同一个轨道平面中飞行,较容易会合;

如果要抵达其他行星,使用简单、低能量的霍曼转移轨道的话,两次发射窗口的间隔便是两颗行星的会合周期。

霍曼转移轨道

在太空动力学中,霍曼转移轨道(Hohmanntransferorbit)是一种变换航天飞行器轨道的方法,途中只需两次引擎推进,就可以让飞行器到达预定轨道,相对地节省燃料。此种轨道操纵名称来自德国物理学家瓦尔特霍曼(WalterHolman)。

例如,发射火星探测器,火星与地球的会合周期是天,火星探测器应在火星与地球相会的前后发射。这就是说,不能随时向火星发射探测器,向火星发射探测器的“窗口”相隔2年零2个月。由于太阳、地球和其他星体的相对位置在不断变化,即使发射同一类型、同一轨道的航天器,发射窗口也是不固定的。

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发射窗口的类型

航天器的发射窗口一般有三种类型。分别是年计窗口、月计窗口、日计窗口。

年计窗口即确定某年中连续允许发射的月份,适用于行星际探测任务,如发射哈雷彗星探测器。

月计窗口即确定某个月内可以连续发射的天数,适用于行星和月球探测任务,如发射月球探测器、载人火星探测等。

日计窗口即确定某天内可以发射的时刻范围,适用于卫星、飞船和空间站等航天器的发射。

选择年计和月计发射窗口,主要是考虑星体与地球的运行规律,目的是为了节省发射能量;选择日计发射窗口需要考虑的因素就比较多,通常有:航天器与运载火箭对发射环境条件的要求,测量控制系统中各种测控设备对发射时段的要求,技术服务系统(如通信、时间统一等)对最佳和最不利发射时段的制约,运载火箭的飞行航区对气象的要求,航天器入轨后必须最大限度地吸收太阳的能量等。

实施航天器发射时,不能只计算一个发射窗口,可能要同时计算两种或三种发射窗口。无论哪种发射窗口,事先都要选择几个,供发射指挥员机动决策。对于一般卫星和导弹的发射,只需选择日计发射窗口。对于发射星际探测器(如彗星探测器)、宇宙飞船、太空站和航天飞机等,通常要同时选择年计、月计和日计发射窗口。但航天器最终的发射时间总是由日计发射窗口确定的。对运载火箭本身来说,没有太严格的发射窗口限制,什么时间发射都可以。不过,在进行运载火箭发射试验时,为了使反射阳光的箭体与背景天空形成较大的反差,跟踪测量和观察效果比较好,一般选在傍晚或黎明前发射。

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如何选定发射窗口?

每个航天器发射窗口的选定,尤其选定最佳发射窗口的限制条件是很多的。确定发射窗口,实际上是根据约束条件来确定飞行轨道与特定对象(如太阳、月球、交会对象等)之间的相对位置,同时也选择适当的发射环境条件。在确定发射窗口时需要根据天体运行轨道条件、航天器的轨道要求、航天器的工作条件要求和地面跟踪测控通信、气象要求等条件,建立一个数学模型,将相关数据输入,经过精心计算推导出来。此外,由于每个航天器承担的任务不同,航天器上安装的仪器、设备使用要求不同,它们对发射窗口还会提出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。

一般来说,选定的发射窗口要满足以下要求:

1.地面观察的需要。早期卫星发射多采用光学望远镜进行跟踪观测,因此需要有很好的观测条件。另外,人造卫星绕地球轨道运行,由于观测站不可能遍布全球,各发射国只能利用自己的少量观测站对卫星实施测控,这就要求卫星在经过观测站附近时便于观测。

2.地面目标光照条件的要求。发射照相侦察卫星、地球资源卫星和中轨道气象卫星时,为了便于卫星上可见光遥感器能很好地遥感地面的图像,卫星运行轨道下方的地面目标必须有很好的光照条件,因此,这类航天器的发射窗口都选在白天。

3.航天器上太阳能电池光照条件的要求。目前的卫星及载人飞船等航天器大多采用太阳能电池供电。当航天器进入轨道时,需要太阳电池板受到最佳阳光照射,以便立即发电供航天器使用。

4.航天器上姿态测量设备的要求。航天器进入轨道后,需要利用航天器上的姿态测量设备(如红外地平仪,太阳敏感器等)测量航天器的飞行姿态,以便调姿、并进入稳定的飞行姿态。航天器上的姿态测量设备工作时,需要航天器、地球和太阳处在一个较好的相对位置,这时测量航天器的飞行姿态精度较高。所以,这也是选择发射窗口要考虑的一个因素。

5.航天器返回地面时的要求。返回式卫星、航天飞机、载人飞船返回地面时,需要及时搜索到卫星和航天员,将他们安全地送回目的地,这对发射窗口的选择是一个极为重要的因素。一般都希望在白天返回,同时要求气象条件较好,没有大风等恶劣天气,以便于降落伞打开,因此在选择发射窗口时需要考虑返回时的情况。

6.空间交会的需要。一些特定用途的卫星和深空探测器专门用于对天体的观测,如空间交会的航天器、彗星探测卫星、太阳观测卫星、火星探测器、木星探测器等需要以最短时间、最高精度与其他航天器或被观测天体会合,这也需要选择合适的发射窗口。另外,静止卫星准确定点,尽可能少地消耗推进剂也需要选择发射窗口。

由于太阳、地球和其他星体的相对位置在不断变化,即使发射同一类型、同一轨道的航天器,其发射窗口也是不固定的。选择发射窗口,是一个复杂系统的综合决策问题。某一次发射总有一些较主要的制约条件,它们在发射窗口的确定中起决定性作用。发射窗口是由保证运载火箭发射成功所需技术要求决定的。从理论上讲,为确保发射顺利进行,应使参与发射的各项设备均处于最佳技术状态。但由于参与发射的设备很多,实际上是很难做到这一点的,因此,通常都先由发射控制系统、地面测控系统、通信与时间统一系统,以及气象保证系统等几个与发射关系最大的系统各自根据自己的情况分头确定,然后由发射部门进行综合分析,根据不同发射时段对实现发射目的的影响和程度,排出综合的最佳发射窗、较好发射窗口和允许发射窗口。最后,由发射的指挥者拍板确定。

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