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为了保密?天舟四号货运飞船为什么选择在凌晨发射?

2022年5月7日,长征七号遥五运载火箭搭载着天舟四号货运飞船停靠在发射塔架上,经过两天多的测试准备,一切就绪,整装待发。

天舟四号整装待发

长征七号火箭的第一发射窗口为北京时间5月10日凌晨1时57分,窗口期只有几十秒,错过了这个时间就得再等3天,到5月13日0时33分30秒。如果到时候还是不行就又往后推3天,到5月15号23点09分发射。

有朋友问了,咱们的天宫空间站一直都在天上飞行,货运飞船早一点发射晚一点发射不都是一样吗,为什么非得三更半夜发射,还要精确到秒,是因为需要保密吗?

你还别说,尽管不像某些人出门前要翻翻老黄历看是不是吉利,这天舟四号也没什么不便展示的秘密,但发射飞船还真不能随随便便,它需要掐准时间,晚了早了都不成。

天和核心舱与天舟三号组合体在轨运行

眼下,天和核心舱与天舟三号货运飞船组合体正在距离地面约390公里的轨道上绕地球飞行,它每92分12秒绕地球飞一圈,轨道速度达7.68公里/秒,相当于复兴号高铁列车的79倍!

空间站在轨道上飞行,它的速度通常是固定的,不能像汽车那样想快就踩一脚油门想慢就点一下刹车。如果空间站加速,它就会飞到更高的轨道,而要是减速就可能坠入大气层。天舟四号货运飞船要想与空间站对接,它首先也要达到7.68公里/秒,只有大家速度差不多时才有可能平稳地靠近,否则就会撞得粉碎。

长征七号火箭搭载天舟四号货运飞船

长征七号火箭近地轨道(LEO)运载能力为13.5吨,天舟四号货运飞船的发射质量也是13.5吨,按照设计,长征七号遥五火箭刚好能把13.5吨重的飞船送到大约390公里高度的近圆轨道上,并且速度在7.68公里/秒左右。假如飞船晚了,就需要开启发动机去追空间站;如果早了也得开启发动机减速“等待”,而飞船上的燃料很有限也很宝贵,是不应该浪费的。

为了让飞船升空之后与空间站距离更近一些,发射场控制人员需要先做一些计算,看空间站什么时候经过发射场上空。如果在空间站接近发射场的时候发射火箭,这样就能保证飞船升空之后与空间站“同步”。

天宫空间站在10日凌晨经过文昌发射场附近

根据天宫空间站的轨道参数,它将在北京时间5月10日1时57分30秒左右从文昌发射场附近、自西北向东南飞过,因此火箭在1时57分发射升空,可以用最少的燃料和最短的时间与空间站会合。

错过了这个时间就要等3天,因为空间站每天绕地球飞大约15圈半,差不多过3天它会再经过同一个地点上空。

你可能会说:老粥你讲得不对吧,天宫空间站在5月10号16时48分(格林尼治时间8:48:00)还会从西向东经过一次文昌发射场,用不着等3天。

10日下午空间站自西南向东北经过文昌

的确,天宫空间站绕着地球飞,它确实会在当天下午4点48分从西南向东北再次飞过文昌发射场以东不远的海域。如果这时候我们向东北方向发射火箭,也可以让天舟四号货运飞船与空间站保持同步。

但是发射火箭还需要考虑一个重要因素就是——安全性。火箭飞行的过程中为了节省燃料,需要及时将用过的助推器、一二级火箭和整流罩抛弃掉,这些东西都会掉落在距离发射场900公里的范围内。假如沿途有城市、飞机船舶航线或其它重要基础设施,就会带来安全风险。而向东北方向发射会经过我国东南沿海的一些城市和台湾海峡,因此是不安全的。

向东北发射,残骸掉落会造成危险

火箭向东南方向飞行,它的助推器等残骸大多会落在我国南海黄岩岛以西,基本不会超过9段线,这里是浩瀚的海洋,安全性要高很多。因此我们向空间站发射货运飞船和实验舱段都会选择向东南方向发射。

天宫空间站绕地球飞行的轨道倾角为41.58°,飞船需要在空间站尽量接近发射场的时间段发射,才能保证与41.58°轨道面的夹角最小,否则就需要额外消耗燃料进行轨道机动。

发射场严密监测天气情况

影响发射时间的另一个重要因素就是天气。火箭飞行不仅要克服空气阻力,还要克服风的干扰。如果发射场的风太大,有可能会把火箭吹倒;而在飞行过程中遇到高空强气流也能使火箭偏离预定轨迹,需要额外消耗燃料来纠偏。

美国当初发射阿波罗12号飞船时,土星5号火箭就曾在2400米高空被两道闪电击中,造成火箭上多个设备损坏,但飞船却神奇地飞到了月球。从那以后,世界各国在发射航天器之前都严密监视天气状况,宁可等待下一个窗口,也要尽量避免在糟糕的天气里发射火箭。

土星5号在发射后遭遇雷击

讲到这里我们来做一个总结:

天舟四号货运飞船之所以选择在5月10日凌晨发射,并非出于保守什么“秘密”,而是天宫空间站在1点57分刚好经过文昌发射中心附近上空。

这时候发射,火箭飞行的轨道与空间站运行的轨道夹角最小,可以节省许多变轨的燃料;飞船与空间站需要保持相同的速度才能实现交会对接,因此火箭发射的时间要精确控制在它到达390公里高度时与空间站的距离最近;发射场天气以及火箭飞行路径的天气也是发射窗口选择的一个重要因素,如果天气不好,也需要变更发射时间,耐心等待下一个窗口开启。

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