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SpaceX首次载人飞行任务推迟,火箭发射还要看天气?

2020-05-29 作者:

制作:中国科普

产量:太空精酿

生产者:计算机网络信息中心

据美国综合媒体报道,由于当地时间5月27日下午4点左右的天气状况,原定于当天发射的猎鹰9号和载人龙飞船推迟发射。

为什么火箭发射如此重视天气?

在世界各地的空间发射过程中,所有国家都必须严格遵守一套被称为“天气发射委员会标准”的规则,该规则规定了各种气象条件。如果没有特殊的任务要求,火箭发射必须推迟,如果其中任何一个都不满足。

中国载人航天发射也是如此。在发射现场直播期间,中央电视台一定会采访酒泉东风航天城气象站,气象站一定会报道风速、风向、温度、湿度、云量等详细信息。最后,在进入下一步之前,它将以一句话结束:“天气条件能够满足发射要求”。

那么,什么样的坏天气会推迟火箭的发射呢?

1.可怕的闪电和雨云

宙斯在希腊神话统治着闪电,他已经成为众神之王,而电母,中国神话的雷神,有着非同寻常的地位。甚至中国文化中最可怕的诅咒之一就是“天雷”。人类对闪电的恐惧是显而易见的。

对于雷电来说,摧毁一枚火箭(用高爆炸燃料)比摧毁一辆汽车要简单得多。

事实上,“被闪电击中”也是火箭发射中最令人害怕的项目之一。

事实上,原因很简单。火箭由许多精密电子仪器组成,在飞行中需要大量的地面雷达遥测信号。闪电很容易导致电子仪器短路和故障。雷暴云也极大地干扰地面遥测信号,给火箭制导和控制带来困难。具有强大能量的雷击甚至可以摧毁火箭。

1987年3月26日,美国太空半人马神火箭发射了一颗价值超过10亿美元的美国海军通信卫星,不幸遭遇了这种情况。发射后仅48秒,强烈的闪电击中了火箭,包括火箭偏航控制部件在内的许多部件都失灵了。火箭在0+爆炸,任务失败。

△1983年8月30日,在航天飞机的第八次飞行任务中,“挑战者”号由于“巴里”飓风被推迟了10天。摄影师萨姆·沃尔顿在延迟期间记录了美国宇航局在发射台的雷击。

2.强风

火箭的发射不直接飞向天空空,当它到达一定高度时,它开始转向,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。风速过大,甚至风切变剧烈改变风速和风向,都会明显影响控制精度。

所谓“失之毫厘,失之千里”。火箭在初始阶段要求极高的控制精度,因此强风对火箭的影响必须最小化。

大气层是一个100公里的复合体,由对流层、平流层、热层、电离层等组成。每一层都有不同的气象条件和风速。这些层中任何一层的异常风速都将导致火箭控制的大幅降低,甚至任务失败。

人类生活在对流层的底部,但是这里感觉到的风不能代表高空的大气。对后者的理解需要结合专业发射场气象观测站、探空空气球、气象卫星等因素。

△国际空国际研究委员会(空间研委会)公布的大气模型中对平均风速的描述表明,对流层中的风速与高空大气相比微不足道

当发射猎鹰重型火箭和猎鹰9号火箭时,由于高空风切变,SpaceX被延迟,这种情况更为常见。

此外,在人类生活的对流层中,这里的大风天气通常伴随着风、雨和闪电,这导致空间发射的风险因素进一步增加。

3.空天气

在太空发射中,要考虑的天气远比地球的天气简单,但也包括星际空天气。对地球来说,观察太阳的活动是必要的。

例如,严重的太阳耀斑和风暴很容易造成大规模的地磁风暴,造成整个电离层的巨大波动。这种人体难以察觉的灾难很容易摧毁航天器部件,甚至直接报废。

太阳活动和磁场不仅产生极光,而且剧烈的活动也会导致电离层中的“风暴”欧空局。

1989年3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出现异常,指挥电路受损,而1998年的太阳风暴直接导致美国银河4号通信卫星报废。

俄罗斯在2011年发射的火星探测器福布斯土壤(Forbes Soil)在进入地球轨道时遇到了强大的宇宙辐射,导致芯片出现故障。这使得中国第一个火星探测器“萤火虫1号”的任务也不幸失败了。

在太空发射期间,我们还需要尽最大努力避免频繁的太阳活动期,并将此类风险降至最低。

4.低温

极端寒冷的天气也会对火箭发射产生负面影响,这反映在对地面发射场和火箭外部部件的影响上。

挑战者号在发射前发射可怕的冰锥

最典型的例子是1986年1月28日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端寒冷天气,气温持续低于零度。挑战者号被放置在发射台后被迫推迟发射。负责航天飞机助推器的制造商警告说,发射场长时间的低温可能会导致密封垫圈失效,液态氢和液氧的填充会进一步加剧这种情况。

最终,挑战者号失去了效力,因为在发射过程中,固体助推器的O型环在剧烈振动下脱落,导致燃料箱严重爆炸。挑战者号事故因此成为世界上最严重的太空事故之一,损失惨重。

5.阳光

火箭发射还需要考虑任务要求和设定任务时间。例如,太阳同步轨道和光学气象卫星等需要高照度的任务必须在白天发射,而需要光学遥测制导的火箭也必须考虑太阳光:不要太强或太弱。

大多数携带太阳能电池板用于能源供应的卫星任务在进入轨道后部署时还需要考虑太阳能电池板的位置。然而,这比其他原因影响要小得多。

那么,如果发射因上述情况而推迟,会有什么影响呢?

1.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90%以上。他们使用的燃料是液氧、煤油、液态氢、肼、四氧化二氮等。它们通常需要低温储存。

例如,中国的长征五号是一个以液氧和液态氢为主要燃料的“肥冰箭”。液氧和液态氢的储存甚至更困难,在零下252.8摄氏度(液态氢)和零下183摄氏度(液态氧)。

以德尔塔猎鹰火箭为例,火箭发射时,火箭表面有由冷燃料引起的水蒸气凝结而形成的冰块在脱落,但这只是液氧煤油燃料,液氧液氢比更低,由此可见,长武的“胖冰箭”实际上是“冰”的空间x

在这种情况下,燃料加注的时机非常重要,否则只能在极低温度下稳定储存的液态气体燃料将难以在常温下储存,给地面发射场系统造成很大障碍。

同样,传统的四氧化二氮和肼燃料会对火箭油箱造成缓慢腐蚀,发射窗口也应该关注这个问题。

因此,如果火箭发射因天气问题而推迟,特别是加油后,将对火箭的发射安全系数产生很大影响,需要尽可能避免。

2.发射窗口的影响

任何火箭发射任务都有一个叫做发射窗口的概念。例如,上面提到的一些卫星必须赶上某些阳光环境。对于星际任务来说,通常有必要了解行星的相互位置。例如,地球和火星之间的发射机会每26个月才出现一次。旅行者1号和2号已经飞出了太阳系,甚至赶上了罕见的175年时间窗,才得以访问外围行星(1号自愿放弃天王星和海王星的探索,因为土星-泰坦的探索任务)。

对于载人航天任务,特别是对于空的交会对接任务,甚至还有所谓的“零窗口”概念:由于目标对接航天器在太空的时刻移动,而地球也一直在旋转,因此目标航天器将仅在特定时间(实际上是在之前,因为航天器在火箭发射期间也在移动)通过上限空(与发射场位置一致)。因此,要对接的航天器必须根据时间点准时上升到0+,甚至与预期的时间和分钟没有差别,以准确地在太空中会合和对接。

△以国际空间站“前进”号货船的地面轨迹图为例,可以清楚地看到,重复通过一个地点/发射场需要多轮

就像国际空站之间的对接和中国天宫一号和天宫二号飞船的对接试验一样,我们可以想象由于天气问题而推迟是多么遗憾。但幸运的是,这种延迟不会持续太久,一两天后还会有下一个窗口。

也正因为如此,世界各地的发射场都有极其严格的天气预报程序。早在发射前几周,各种气象数据将被分析以预测发射当天的天气状况,甚至探测器空气球也将被释放以探测当地的具体信息。如果发现有可以驱散的坏天气,比如小雨云,它甚至会先发射一枚“火箭”来对付它。

然而,此时发射的“火箭”通常是特殊的人工降雨炮弹或能“呼风唤雨”的火箭。它们可以通过早期降雨减少天气对发射期的影响。

然而,目前,人们仍然不得不依靠这种态度来应对真正的坏天气,如暴风雨和大雨云:

“我不能战斗,但我不能隐藏”!

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