卫星升空选择发射窗口学问大 需遵循九项条件

2010-9-28 14:24 来源: 科技日报
684 收藏到BLOG

  目前,“嫦娥二号”及长征三号丙运载火箭已“进入”移动塔,技术人员正进行常规测试,在发射之前,还有一个环节至关重要——

  9月26日,西昌卫星发射基地移动塔向2号固定发射塔靠拢,顺利完成了第三次合练的“嫦娥二号”卫星及长征三号丙运载火箭“进入”移动塔,专家和技术人员继续对“嫦娥”及运载火箭进行常规测试。尽管官方尚未公布发射时间,但已有媒体揣测,该卫星的发射窗口就在10月初。

  何为发射窗口?发射窗口是指运载火箭发射比较合适的时间范围,这个范围的大小也叫做发射窗口的宽度。对于航天器而言,发射窗口的选择至关重要。

确定发射窗口需遵循九项条件

  科技日报记者从中国运载火箭技术研究院网站了解到,早期火箭的发射窗口是根据光学观察条件来确定的,发射时间一般选择在凌晨或傍晚,这时太阳处于地平线的位置上,阳光能照射到火箭,而大地处于比较暗的环境中,产生较大的反差,形成较好的光学观察条件,以便对火箭飞行进行光学测量研究。

  应用卫星出现后,卫星对发射条件的要求更为复杂,这时光学观察条件成为极为次要的条件。由于卫星的功能、用途各不相同,各类卫星对运载火箭发射条件有不同的要求,相应发射窗口也不尽相同。

  一般来说,发射窗口主要有下列约束条件:太阳照射卫星飞行下方(星下点)地面目标的光照条件(如气象、资源等卫星);卫星太阳帆板与太阳光线的相对关系(太阳能电池供电的要求);卫星姿态测量精度要求的地球、卫星、太阳的几何关系;卫星温度控制要求太阳只能照射卫星某些方向;卫星处于地球阴影内时间长短的要求(太阳能电池供电的要求);着落回收时间的要求(如返回式卫星、载人飞船等);对卫星轨道面的特定要求(如移动通信卫星星座、轨道交会、轨道拦截等);地球与目标天体相对位置的要求(如月球探测器、行星探测器等);其他如地面跟踪测量条件、气象条件等。

  确定发射窗口,实际上是根据约束条件来确定飞行轨道与特定对象(如太阳、月球、交会对象等)之间的相对位置,同时也选择适当的发射环境条件。

各类卫星发射窗口各有规律

  根据各项约束条件,各类卫星的发射窗口也各有规律。

  资源卫星、照相侦察卫星、中轨道气象卫星等,要求对地面目标区域有较好的光照条件,发射窗口要选择在白天。载人飞船除了要对地观察外,同时要求在白天返回着落场,因此发射窗口也在白天,其发射窗口宽度则要受到姿态测量和温控的制约,另外卫星运行区域和载人飞船着落场区的气象条件也是发射窗口需要考虑的因素。地球同步卫星(包括地球同步通信卫星、地球同步气象卫星等)的发射窗口主要取决于太阳角、地影、日地张角、地面测量等约束条件,因此它与太阳位置、卫星姿态、轨道、卫星控制方式(自旋稳定方式或三轴稳定方式)、轨道变轨方式、卫星的布局形式以及地面站位置等有关。

  对不同的卫星即使轨道相同,发射窗口也有可能有较大的差别。一般说,由于发射地球同步卫星时火箭发射段的航程较长,发射点所在的子午面与转移轨道主轴(轨道近地点与远地点的连线)的夹角较大,而卫星的变轨操作等都是在转移轨道的远地点进行的,如果为了满足太阳角和日地张角等的约束,远地点应处在白天环境下,这时地球同步卫星的发射就要在晚间进行。发射窗口宽度一般为1小时左右。

  对于卫星星座、轨道交会、轨道拦截等发射任务而言,由于要求将卫星送入惯性空间中预定的轨道面,因此对发射时间有更严格的要求,发射时间由轨道面在惯性空间中的指向(轨道升交点赤径)确定,在一天24小时内都有可能。发射窗口的宽度取决于轨道面的误差要求。

  月球探测器和行星探测器的发射窗口主要取决于目标天体(月球或行星)的位置,发射必须在地球与目标天体处于一定的相对位置之时间范围内进行。如果错过这段时间,地球与目标天体的相对位置发生变化,则相应要调整火箭的发射方位角或飞行路线。

“零窗口”发射对火箭可靠性要求更高

  2007年“嫦娥一号”卫星发射时,“零窗口”一直是关键词之一。所谓“零窗口”,即指在预先计算好的发射时间,分秒不差地将火箭点火升空,不允许有任何延误与变更。