SpaceX首次載人飛行任務推遲，火箭發射還要看天氣？

2023-03-31 13:18:16

製作:中國科普

產量:太空精釀

生產者:計算機網絡信息中心

據美國綜合媒體報導，由於當地時間5月27日下午4點左右的天氣狀況，原定於當天發射的獵鷹9號和載人龍飛船推遲發射。

為什麼火箭發射如此重視天氣？

在世界各地的空間發射過程中，所有國家都必須嚴格遵守一套被稱為「天氣發射委員會標準」的規則，該規則規定了各種氣象條件。如果沒有特殊的任務要求，火箭發射必須推遲，如果其中任何一個都不滿足。

中國載人航天發射也是如此。在發射現場直播期間，中央電視臺一定會採訪酒泉東風航天城氣象站，氣象站一定會報導風速、風向、溫度、溼度、雲量等詳細信息。最後，在進入下一步之前，它將以一句話結束:「天氣條件能夠滿足發射要求」。

那麼，什麼樣的壞天氣會推遲火箭的發射呢？

1.可怕的閃電和雨雲

宙斯在希臘神話統治著閃電，他已經成為眾神之王，而電母，中國神話的雷神，有著非同尋常的地位。甚至中國文化中最可怕的詛咒之一就是「天雷」。人類對閃電的恐懼是顯而易見的。

對於雷電來說，摧毀一枚火箭(用高爆炸燃料)比摧毀一輛汽車要簡單得多。

事實上，「被閃電擊中」也是火箭發射中最令人害怕的項目之一。

事實上，原因很簡單。火箭由許多精密電子儀器組成，在飛行中需要大量的地面雷達遙測信號。閃電很容易導致電子儀器短路和故障。雷暴雲也極大地幹擾地面遙測信號，給火箭制導和控制帶來困難。具有強大能量的雷擊甚至可以摧毀火箭。

1987年3月26日，美國太空半人馬神火箭發射了一顆價值超過10億美元的美國海軍通信衛星，不幸遭遇了這種情況。發射後僅48秒，強烈的閃電擊中了火箭，包括火箭偏航控制部件在內的許多部件都失靈了。火箭在0+爆炸，任務失敗。

△1983年8月30日，在太空梭的第八次飛行任務中，「挑戰者」號由於「巴裡」颶風被推遲了10天。攝影師薩姆·沃爾頓在延遲期間記錄了美國宇航局在發射臺的雷擊。

2.強風

火箭的發射不直接飛向天空空，當它到達一定高度時，它開始轉向，從而達到任務的軌道傾角要求。

在此期間，火箭需要經歷複雜的轉向和姿態控制。風速過大，甚至風切變劇烈改變風速和風向，都會明顯影響控制精度。

所謂「失之毫釐，失之千裡」。火箭在初始階段要求極高的控制精度，因此強風對火箭的影響必須最小化。

大氣層是一個100公裡的複合體，由對流層、平流層、熱層、電離層等組成。每一層都有不同的氣象條件和風速。這些層中任何一層的異常風速都將導致火箭控制的大幅降低，甚至任務失敗。

人類生活在對流層的底部，但是這裡感覺到的風不能代表高空的大氣。對後者的理解需要結合專業發射場氣象觀測站、探空空氣球、氣象衛星等因素。

△國際空國際研究委員會(空間研委會)公布的大氣模型中對平均風速的描述表明，對流層中的風速與高空大氣相比微不足道

當發射獵鷹重型火箭和獵鷹9號火箭時，由於高空風切變，SpaceX被延遲，這種情況更為常見。

此外，在人類生活的對流層中，這裡的大風天氣通常伴隨著風、雨和閃電，這導致空間發射的風險因素進一步增加。

3.空天氣

在太空發射中，要考慮的天氣遠比地球的天氣簡單，但也包括星際空天氣。對地球來說，觀察太陽的活動是必要的。

例如，嚴重的太陽耀斑和風暴很容易造成大規模的地磁風暴，造成整個電離層的巨大波動。這種人體難以察覺的災難很容易摧毀太空飛行器部件，甚至直接報廢。

太陽活動和磁場不僅產生極光，而且劇烈的活動也會導致電離層中的「風暴」歐空局。

1989年3月的太陽風暴直接導致美國GOES衛星壽命減半，日本衛星CS-3B出現異常，指揮電路受損，而1998年的太陽風暴直接導致美國銀河4號通信衛星報廢。

俄羅斯在2011年發射的火星探測器福布斯土壤(Forbes Soil)在進入地球軌道時遇到了強大的宇宙輻射，導致晶片出現故障。這使得中國第一個火星探測器「螢火蟲1號」的任務也不幸失敗了。

在太空發射期間，我們還需要盡最大努力避免頻繁的太陽活動期，並將此類風險降至最低。

4.低溫

極端寒冷的天氣也會對火箭發射產生負面影響，這反映在對地面發射場和火箭外部部件的影響上。

挑戰者號在發射前發射可怕的冰錐

最典型的例子是1986年1月28日挑戰者號太空梭發射事故。

發射前，位於美國東海岸的甘迺迪航天中心遭遇了罕見的極端寒冷天氣，氣溫持續低於零度。挑戰者號被放置在發射臺後被迫推遲發射。負責太空梭助推器的製造商警告說，發射場長時間的低溫可能會導緻密封墊圈失效，液態氫和液氧的填充會進一步加劇這種情況。

最終，挑戰者號失去了效力，因為在發射過程中，固體助推器的O型環在劇烈振動下脫落，導致燃料箱嚴重爆炸。挑戰者號事故因此成為世界上最嚴重的太空事故之一，損失慘重。

5.陽光

火箭發射還需要考慮任務要求和設定任務時間。例如，太陽同步軌道和光學氣象衛星等需要高照度的任務必須在白天發射，而需要光學遙測制導的火箭也必須考慮太陽光:不要太強或太弱。

大多數攜帶太陽能電池板用於能源供應的衛星任務在進入軌道後部署時還需要考慮太陽能電池板的位置。然而，這比其他原因影響要小得多。

那麼，如果發射因上述情況而推遲，會有什麼影響呢？

1.對液體火箭燃料加注的影響

液體燃料火箭是目前航天發射的絕對主流，佔90%以上。他們使用的燃料是液氧、煤油、液態氫、肼、四氧化二氮等。它們通常需要低溫儲存。

例如，中國的長徵五號是一個以液氧和液態氫為主要燃料的「肥冰箭」。液氧和液態氫的儲存甚至更困難，在零下252.8攝氏度(液態氫)和零下183攝氏度(液態氧)。

以德爾塔獵鷹火箭為例，火箭發射時，火箭表面有由冷燃料引起的水蒸氣凝結而形成的冰塊在脫落，但這只是液氧煤油燃料，液氧液氫比更低，由此可見，長武的「胖冰箭」實際上是「冰」的空間x

在這種情況下，燃料加注的時機非常重要，否則只能在極低溫度下穩定儲存的液態氣體燃料將難以在常溫下儲存，給地面發射場系統造成很大障礙。

同樣，傳統的四氧化二氮和肼燃料會對火箭油箱造成緩慢腐蝕，發射窗口也應該關注這個問題。

因此，如果火箭發射因天氣問題而推遲，特別是加油後，將對火箭的發射安全係數產生很大影響，需要儘可能避免。

2.發射窗口的影響

任何火箭發射任務都有一個叫做發射窗口的概念。例如，上面提到的一些衛星必須趕上某些陽光環境。對於星際任務來說，通常有必要了解行星的相互位置。例如，地球和火星之間的發射機會每26個月才出現一次。旅行者1號和2號已經飛出了太陽系，甚至趕上了罕見的175年時間窗，才得以訪問外圍行星(1號自願放棄天王星和海王星的探索，因為土星-泰坦的探索任務)。

對於載人航天任務，特別是對於空的交會對接任務，甚至還有所謂的「零窗口」概念:由於目標對接太空飛行器在太空的時刻移動，而地球也一直在旋轉，因此目標太空飛行器將僅在特定時間(實際上是在之前，因為太空飛行器在火箭發射期間也在移動)通過上限空(與發射場位置一致)。因此，要對接的太空飛行器必須根據時間點準時上升到0+,甚至與預期的時間和分鐘沒有差別，以準確地在太空中會合和對接。