如何确定航天器的发射窗口？
时间：2020-12-14 16:04:00 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
人民网北京4月30日讯：2007年4月30日，将执行我国“长征”系列运载火箭第100次发射任务的“长征”三号甲运载火箭发射队近100名队员，在中国航天科技集团公司所属的运载火箭技术研究院踏上征途。之前，执行第100次发射任务的“长征”三号甲运载火箭已于4月28日再披红色战袍，从中国航天发祥地中国运载火箭技术研究院运往西昌卫星发射基地。
我国1970年4月第一次成功发射人造卫星“东方红”一号，到现在历经37年发展，“长征”火箭已经发展到四个系列多种不同型号，具备了把卫星送到从低轨到与地球同轨的任何一个位置的能力，并将在今年五月下旬迎来第100次发射，这也意味着我国将成为世界上第四个航天发射过百次的国家。
这是一则激动人心的消息。在为我国航天事业的发展欢欣鼓舞的同时，我们也注意到，在每次发射时都可能听到“发射窗口”这个名词。那么，什么是“发射窗口”?如何确定呢?
谨以此文，祝“长征”三号甲第100次发射成功!
航天器的发射窗口是指比较适合运载器(包括运载火箭和航天飞机)发射的一个时间范围，即允许运载器发射的时间范围。窗口宽度有宽有窄，宽的以小时计，甚至以天计算，窄的只有几十秒钟。
要确定某一发射窗口。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，建立一个数学模型、输入相关数据，再经过精心计算推导出来的。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。
影响和限制发射窗口的主要因素
首先是地面观察的要求。在进行运载器发射时，一般都选在夜间或黎明前来发射。因为这时太阳处在地平线附近，发射场区及运载器飞行路过地区的天空比较暗淡，而运载器点火升空到一定高度后就能受到阳光照射，使反射阳光的箭体与背景天空形成较大的反差，从而使地面的光学跟踪测量仪器可以清晰地跟踪测量火箭的飞行轨迹，观察运载器飞行中的姿态和外部形象。根据美国航空航天局设定的航天飞机飞行规则。在日落15分钟以后的发射就算作夜间发射。1970年我国发射“东方红”1号卫星时就是在晚上9点35分，当时天空漆黑一片，但在运载火箭升到400多千米高空把卫星送入轨道时，进入轨道运行的第三级火箭及卫星仍能受到太阳光的照射，使地面的人们用肉眼就能看到进入轨道运行的第三级火箭及卫星。
若需要监测运载器升空的过程，则要选择白天。如在“哥伦比亚”号航天飞机失事后，美国航空航天局曾一度不允许航天飞机在夜间发射。并规定发射时必须有足够的光照。最好是晴朗的白天，以保证在航天飞机发射时进行有效的监测，因而使航天飞机可供利用的发射时机总体上减少一半，成为影响美国航天飞机建造“国际空间站”进度的一大障碍。后来经过三次成功的飞行，表明航天飞机的安全性已达到了要求，并采用了能在夜间对航天飞机发射进行有效监测的方法后，才在2006年12月9日航天飞机第117次发射时恢复了夜间发射。
第二，地面目标光照条件的要求。当发射遥感卫星时，如资源卫星、海洋卫星、气象卫星或侦察卫星等，要求卫星运行轨道下方的地面目标有很好的光照条件，以便于卫星上的可见光遥感器能很好地遥感地面图像。因此，发射这类航天器的发射窗口也都选在白天。2007年4月11日我国发射“海洋”1号B卫星时是上午11点27分。
第三，航天器上太阳电池翼光照条件的要求。目前，航天器上大多采用太阳能电池供电，所以当航天器进入轨道时，希望是在受到太阳照射的一面，这时太阳电池翼与太阳的相对方位能使其产生足够电能，保证航天器上的各种仪器设备正常工作。如果阳光垂直照射在太阳电池翼上，所产生的电能最大；在非直射状态下，太阳电池翼的效能就会降低。我国在发射“神舟”l号试验飞船时是在北京时间早晨6点30分，当时太阳还没有升出地平线，但在飞船进入轨道后，它正处在有阳光的日照区，飞船上的太阳电池翼可以正常工作。
第四，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(如红外地球敏感器、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。这便产生了一个问题，在太空中的航天器为什么要保持一定的姿态呢?
这是因为地球温度比较高，安装在航天器上的地球敏感器的红外光线很容易发现并对准地球进行测量。但是如果有太阳光照射到红外镜头或视场，就会产生干扰，导致仪器出现故障。为保证红外地球敏感器的正常测量，需要避开太阳光的辐射影响并选择一个合适的角度。此外，航天器在太空运行还会受太阳辐射的影响，太阳照射面积的大小、角度不同，将使航天器吸收不同程度的热量。要保证航天器内环境温度适宜、有一定的散热条件，从而使航天器温控适度，同样需要选择一个合适的角度。还有一点，航天器入轨后。有效载荷需要对地进行观测，这也需要选择一个合适的角度保证对地观测姿态。
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地位置，这时测量航天器的飞行姿态精度较高。这也会影响到发射窗口的确定。
第五，航天器返回地面时的光照及气象条件的要求。返回式卫星、载人飞船从轨道返回地面时，一般都希望在白天，以便寻找落地后的航天器；同时希望气象条件较好、没有大风等恶劣天气，便于降落伞打开。在选择发射窗口时就要考虑返回时的情况。
空间探测器的发射窗口
前面所讲是一般的要求，还有一类比较特殊，就是向地外星体发射空间探测器，这还需要考虑航天器轨道精度的要求，目标天体与地球相对位置的要求等。不过，发射空间探测器时，发射窗口宽度一般都比较宽，有的能以天计算。
以我国在今年即将发射的第一个空间探测器——“嫦娥”1号月球探测器为例，它的发射窗口是如何决定的呢?
由于“嫦娥”1号采用按最小能量设计的轨道，根据地月的运动规律，每月只有1～2次的发射机会。考虑到轨道光照条件对电源分系统的影响，对上述发射机会将进一步限制。对应于每次发射机会的发射轨道，“嫦娥”1号的初始环月姿态、轨道光照条件以及测控条件均不相同，所以需要对2007年所有的发射机会及其影响进行分析之后。最终选择发射时机。
如果要向太阳系其它行星发射空间探测器，则发射窗口更小。因为地球和其它行星就像在田径赛场上赛跑的运动员，是在不同的轨道上围绕太阳运行，在里圈的跑一圈快，外圈的就慢。但它们都会在一定的周期内距离地球比较近，通常叫“冲”，而这时向距离地球比较近的星球发射空间探测器所需的能量最省。所以，空间探测器一般都选择地球与其它行星即将相“冲”时发射。根据这个原则，火星探测器每隔26个月有1次发射机会，金星探测器每隔19个月有1次，水星探测器每隔4个月有1次……如果探测器完成任务后要返回地球，也要选择地球与这颗地外行星相“冲”时才行，不是随时都能任意返回的。
另外，空间探测器由地球飞往行星，最经济的轨道就是双切轨道，即与地球轨道和目标行星轨道相切的日心椭圆轨道，采用这种轨道可以很好地利用地球和行星的公转运动。若按此轨道飞行，探测器只要在初始时候得到必要的速度就行，然后大部分时间按惯性飞行。
总之，发射窗口是根据航天器本身的要求及外部多种限制条件，经综合分析计算后确定的。由于太阳、地球和其它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，其发射窗口也不固定。因此，一旦由于技术原因，或天气等其它原因，不能按时发射，就只能等待下一个发射窗口。有的航天器发射，一天之内不止一个窗口，有的则需等几天或更长时间才能再发射。
[编辑／严晓峰]
