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    为什么刮点小风下点小雨火箭就要推迟发射?

    点击量:   2018-03-07 14:20:44    【打印】   【关闭

    最近SpaceX猎鹰重型火箭成功发射的消息不断刷屏,但它的发射时间一推再推也让很多关注的人郁闷无比。明明天气晴朗无风,为什么非说风太大而推迟?

      在世界各国的航天发射过程中,都要严格遵守一套叫做火箭发射天气标准(weather launch commit criteria的规则。这套规则规定了各种气象条件。如果没有特殊的任务要求,不满足其中任何一条就必须推迟火箭发射。

      其中最傲娇的恐怕就是航天飞机发射了,由于航天飞机拥有超过250万个零件、平均算下来每次发射费用达到15亿美元(由项目总花费和总发射次数计算而来)之巨,不得不对天气更为小心。

      在航天飞机的任务历史中,有接近一半的延期发射与天气因素相关。

      我国的载人航天发射也是如此,在发射直播期间,中央电视台一定会采访酒泉东风航天城的气象站,而气象站一定会汇报风速、风向、温度、湿度、云层情况等详细信息,最后会总结为一句话:该气象条件可以满足发射要求,然后才能进入下一步。

      为什么火箭发射会如此敏感于天气状况呢?而哪些恶劣天气会导致火箭发射推迟?

      1.恐怖的雷电和雨云 

      希腊神话中主宰雷电的宙斯成为了众神之王,中国神话中雷公电母也地位非凡,甚至在中国文化中最恐怖的诅咒之一也是天打雷劈,人类对于雷电的恐惧可见一斑。

      而事实上,遭雷劈也是火箭发射中最为恐惧的一条。

      其实道理很简单,火箭由很多精密的电子仪器构成、且在飞行过程中需要大量的地面雷达遥测信号,雷电很容易导致电子仪器短路和失效,雷雨云也极大干扰地面遥测信号导致火箭制导与控制困难重重,雷击强大的能量甚至可以击毁火箭。

      1987326日,美国的宇宙神半人马火箭在发射美国海军一颗价值超过10亿美元的通讯卫星时,就不幸遭遇了这种状况。发射仅仅48秒后,就有强闪电击中火箭,包括火箭偏航控制元件在内的诸多器件发生故障,火箭在空中自爆,任务失败。

      2.强风 

      火箭发射并不是笔直飞向天空,当到达一定高度后便开始转向,从而达到任务的轨道倾角要求。

      在此期间,火箭需要经历复杂的转向和姿态控制,而过大的风速、甚至剧烈变化风速和风向的风切变,都显然将影响这一控制精度。

      所谓失之毫厘,谬以千里,起步阶段的火箭对于控制精度要求极高,因此必须尽量减小强风天气对火箭的影响。

      大气是个由对流层、平流层、热层、电离层等组成的高达100千米的综合,在每一层都存在不同的气象条件和风速,它们中的任意一层出现异常风速都将导致火箭控制大打折扣,甚至造成任务的失败。

      人类生活在对流层底部,但这里感受到的风根本无法代表高空大气情况。对于后者的了解需要综合专业发射场气象观测站、探空气球、气象卫星等因素而来。

      欧空局最著名的罗塞塔彗星探测任务,需要在茫茫太空中花十年时间追上目标——丘留莫夫-格拉西缅科彗星。它对发射窗口的要求可谓更加严格。

      但它先是因为阿丽亚娜火箭之前的故障被延期近一年,临近到新发射窗口时,又因为高空大气的强风进一步推迟24小时,但为保障安全,宁愿事后修改设计轨道也不能冒险强行升空。

      因此,SpaceX在发射猎鹰重型火箭和猎鹰九号火箭时,被高空风切变影响而延后,更是家常便饭。

      更何况在人类生活的对流层内,这里的大风天气一般伴随着风雨雷电,这就导致航天发射危险系数进一步升高。

      3.空间天气 

      在航天发射中,需要考虑的天气远不止地球天气这么简单,还要考虑行星际的空间天气,对于地球而言,则是需要观察太阳的活动。

      比如剧烈的太阳耀斑和风暴可以轻易引起大范围地球磁暴,在整个电离层引起巨大波动,这种人类肉体难以察觉的灾难,可以轻易毁掉航天器的元件甚至直接使它们报废。

      19893月的太阳风暴直接导致美国GOES卫星寿命减半,日本卫星CS-3B异常、命令电路损坏,而1998年的太阳风暴则直接导致美国银河-4号通讯卫星报废。

      俄罗斯2011年发射的火星探测器福布斯土壤号,则是在刚进入环绕地球轨道就遭遇了强宇宙射线辐射,导致芯片发生故障。使得中国第一个火星探测器萤火一号任务也不幸一同失败。

      在航天发射时,也需要尽力避免太阳活动频繁的时期,使得这种风险降到最低。

      4.低温 

      极寒天气也会对火箭发射产生不利影响,这体现在对地面发射场和火箭外置元器件的影响上。

      最典型的例子就是1986128日的挑战者号航天飞机发射事故。

      发射前,位于美国东海岸的肯尼迪航天中心遭遇了罕见的极寒天气,气温连续处于零下,挑战者号在被立到发射台后被迫推迟。负责航天飞机助推器的生产商们发出过警告,发射场长时间低温可能导致密封垫圈失效,而加注液氢、液氧后将使情况更加严重。

      最终,挑战者号的确因为发射期间固体助推器的O型密封圈在剧烈震动情况下脱落失效,导致燃料箱发生剧烈的爆炸,挑战者号事故也因此成为世界最严重的航天事故之一,损失惨重。

      5.日照情况 

      火箭发射还需要考虑任务需求而制定任务时间,比如对光照要求较高的太阳同步轨道卫星、光学气象卫星等任务必须白天发射,需要光学遥测制导的火箭也必须考虑日照情况:不能太强也不能太弱。

      绝大部分携带太阳能帆板供能的卫星任务,也需要考虑入轨后展开太阳能帆板时的位置。不过,这个相比其他原因的影响力要小得多了。

      那么,真是因为受到上述情况的影响,推迟发射,会造成哪些影响呢?

      a. 对液体火箭燃料加注的影响 

      液体燃料火箭是目前航天发射的绝对主流,占据了90%以上比例,它们使用的燃料一般是液氧、煤油、液氢、联胺、四氧化二氮等,普遍需要低温保存。

      例如我国的长征五号就是一个以液氧、液氢为主要燃料的胖冰箭,液氧、液氢的保存更加困难,要零下252.8(液氢)和零下183(液氧)。

      在这种情况下燃料加注的时间点就非常重要,否则只有在极低温度下才能稳定保存的液态气体燃料将会难以在常温环境下保存,给地面发射场系统造成巨大障碍。

      同理,传统的四氧化二氮和联胺燃料,会对火箭罐体产生缓慢腐蚀作用,发射窗口也需要着重考虑这个问题。

      因此,如果火箭发射被天气问题延迟、尤其是加注燃料后被延迟,对火箭的发射安全系数影响很大,需要尽力避免。

      b. 发射窗口的影响 

      任何一个火箭发射任务都有一个叫做发射窗口的概念,比如前文提到的有些卫星必须赶上一定日照环境。对于行星际任务,往往要赶上星球之间的相互位置,比如地球和火星之间大概每26个月才出现一次发射机会,已经飞出太阳系的旅行者1号和2号更是赶上了175年一遇的罕见时间窗口才得以遍访外围行星(1号由于土星-泰坦探测任务主动放弃天王星和海王星探测)。

      而对于载人航天任务、尤其是有空间交会对接任务而言,更是有所谓零窗口的概念:由于目标对接航天器在太空中时刻运动、而地球也一直在转动,所以目标航天器只有在特定的时间才会路过与发射场位置重合的上空(其实是之前,因为要考虑火箭发射期间飞船也在运动),所以准备对接的航天器必须按时按点准时升空、甚至要做到与预计时间分秒不差才能在太空中准确交会对接。

      就像国际空间站对接、我国天宫一号和二号的飞船对接实验一样,在这种情况下可以想象因为天气问题延迟将会多么可惜。不过好在这种延期不会很久,基本等上一两天就会有下次窗口。

      也正因如此,世界各地的发射场都会有极其严格的天气预报流程,早在发射之前几周便会分析各种气象数据预测发射日的天气状况,甚至释放探空气球探测局部具体信息。如果发现有可以驱散的恶劣天气,比如小型雨云,甚至会采取先发射火箭的方式来应对。

      不过,此时发射的火箭一般都是能够呼风唤雨的专用人工降雨炮弹或火箭,它们可以通过提前下雨的方式减少天气对发射期间的影响。

      但是目前人类对于真正恶劣的天气,比如风暴和大型雨云,还是得靠这个态度:

      我打不起,但我躲得起 (来源:科学大院  

     

     


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