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第19章 从发射到返回

1.运载火箭的发射涉及哪些方面的内容

运载火箭的研制是一项综合性的系统工程,而发射同样是一项综合性的系统工程。其涉及的面很广,包括运载火箭的检查、测试、运转、加注推进剂、发射程序与数据的计算和装订、点火发射、跟踪测量、安全控制、指挥通信、地面勤务保障等多方面的工作。

在我国,运载火箭发射场一般由技术准备区、发射区、指挥控制中心,以及测控通信系统和地面勤务保障系统等部门组成。当运载火箭由制造厂运到发射场后,各部门的发射准备工作就开始全面启动。

2.运载火箭发射前的倒计时阶段是如何进行的

当一切准备工作基本结束之后,发射工作便进入倒计时阶段。倒计时阶段开始时,由指挥中心向发射场、箭体分离后的落区、各地的测控站、远洋测量舰队以及各有关部门统一发布口令。各部门、各单位接到口令后,根据勤务系统提供的统一时钟各自进入临射前的工作程序。一般的运载火箭倒计时是从确定的发射时间前1个小时开始,叫做1小时准备。然后是30分钟准备、15分钟准备、5分钟准备、1分钟准备,最后是从10开始倒数到1,运载火箭点火起飞。当然,也有例外的情况,例如采用低温推进剂的运载火箭,由于低温推进剂极易蒸发,所以必须严格控制推进剂加注后的时间,因此常常提前4~7个小时就开始进入倒计时阶段。

发射工作进入1小时准备后,发射场的各项工作均按时间程序,由地面的发射控制设备来操作。它可以是半自动的,也可以是全自动的。在这段时间的准备过程中,主要工作包括:对箭上系统通电以便于进行射前功能检查;对火箭的安装及飞行程序和数据进行精确的核实和检测;对推进剂贮箱进行增压;对采用低温推进剂的火箭补加推进剂。接下来是气路连接器、加注连接器自动脱开,遥测系统、外测系统的连接插头自动脱落。一直到1分钟准备时,箭上系统地面供电转为由箭上电池供电,经过10秒钟自检正常后,电缆连接器自动脱落,电缆摆杆离开运载火箭并摆到预定位置。这时,除了火箭底部有一个由脱拔插头连接的电缆与地面连接外,其他一切与地面连接的插头都已完全脱开。射前30秒钟,发射场的测控系统与各地测控跟踪站开始启动。射前7秒钟,发射台周围的高像素摄影机开拍,并开始记录火箭点火起飞的实况。到0秒时,火箭点火。当火箭离开发射台时,底部唯一与地面相连的电缆脱拔插头被拉脱,火箭与地面的有线控制完全中断。如果在火箭点火后还没有离开发射台前,发现火箭发动机出现异常情况,地面可通过这根电缆对火箭实施紧急关机。

火箭起飞后,在控制系统的控制下,分别完成程序转弯、助推器脱落、上面级火箭的点火与关机、级间分离和整流罩分离等;当火箭到达入轨点时,有效载荷与火箭分离、进入预定轨道运行,这时,运载火箭的发射工作完满结束。

3.为什么发射航天器要用多级火箭

火箭作为一种运输工具,其主要任务就是将具有一定质量的航天器(又称有效载荷)送入太空。航天器在太空中的运行情况与它进入太空时初始速度的大小和方向有关。

通过前面的介绍,我们得知,当航天器进入轨道的速度小于第一宇宙速度(7.91千米/秒)时,航天器将无法逃脱地球引力的约束,最终落回地面;如果航天器进入轨道的速度介于第一宇宙速度与第二宇宙速度(11.2千米/秒)之间,它就会在地球引力场内飞行,成为人造地球卫星;当航天器进入轨道的速度介于第二宇宙速度与第三宇宙速度(16.7千米/秒)之间时,它就飞离地球成为太阳系内的人造行星;当航天器进入轨道的速度达到或超过第三宇宙速度时,它就能飞离太阳系。

为了使航天器飞离太阳系,这就要求火箭具有更大的运载能力,多级火箭便应运而生了。简单地说,多级火箭就是把几个单级火箭连接在一起形成的,其中一个火箭先工作,工作完毕后与其他火箭分开,第二个火箭接着工作,依此类推。

由几个火箭组成就称为几级火箭,例如,由两个火箭组成就叫二级火箭,三个火箭组成就叫三级火箭。一般情况下,我们把两级或两级以上的火箭统一叫做多级火箭。多级火箭的优点是每过一段时间就把不再有用的结构抛弃掉,无需再消耗推进剂来带着它和有效载荷(航天器)一起飞行,以便达到足够大的运载能力,在这里,应该指出的是,火箭在飞行时并非是级数越多越好,因为每一级火箭除了贮箱外,至少还必须有动力系统、控制系统、伺服机构以及连接各级火箭的连接结构等。每增加一级,这些组成部分就增加一份。级数太多不仅会增加费用、降低可靠性,而且火箭性能也会因结构质量增加而受到影响。起飞时,在质量不变的前提下,增大结构质量必然要减少推进剂,从能量守恒原理可知其运载能力必然下降。总之,为了提高火箭的运载能力,采用多级火箭也是一个不错的方法,但不是级数越多越好,它与起飞质量之间有着某种对应关系。

4.火箭发射窗口指的是什么

发射窗口是指运载火箭发射时的一个合适的时间范围(即允许运载火箭发射的时间范围)。这个范围的大小也叫做发射窗口的宽度。窗口宽度有宽有窄,宽的以小时计,甚至以天计算,窄的只有几十秒钟,甚至为零。

其实,运载火箭本身并没有很严格的发射窗口限制,什么时间发射都可以。不过,在进行运载火箭发射试验时,一般都选在傍晚或黎明前发射。因为这时候太阳还在地平线附近,发射场区及火箭飞行路过的天空都比较暗淡,而点火后火箭上升到一定高度就能受到阳光照射,箭体反射出来的光使整个火箭明亮不已,与背景天空形成较大的反差,从而使地面的光学跟踪测量仪器可以清晰地跟踪测量火箭的飞行轨迹,观察火箭在飞行中的姿态和外部形象,跟踪测量和观察效果要比在其他时间好得多。

然而,当运载火箭用来发射航天器时,时间却不是任意的了。由于每个航天器承担的任务不同,航天器上安装的仪器、设备等的使用要求也各不相同,它们对发射窗口提出了种种要求和限制条件。而有时这些要求又互相矛盾,因此就必须考虑各方面的要求来选择发射时间,经综合平衡后选择出一个比较合适的发射窗口。那么,影响和限制发射窗口的要求有哪些呢?归纳起来主要有以下几个方面:

(1)地面观察的需要

1970年4月24日,在甘肃酒泉卫星发射中心用“长征1号”运载火箭发射我国第一颗人造地球卫星“东方红1号”时,发射时间定在北京时间晚上9点35分。这时在酒泉卫星发射中心,太阳已落山1个多小时,天空漆黑一片,但是当运载火箭上升到400多千米高空把卫星送入轨道时,进入轨道运行的第三级火箭及卫星仍然能受到太阳光的照射。此时人们在地面用肉眼就能看到进入轨道运行的第三级火箭及卫星。

(2)地面目标光照条件的要求

当发射照相侦察卫星、地球资源卫星和中轨道气象卫星时,卫星运行轨道下方的地面目标要有很好的光照条件,以便于卫星上的可见光遥感器能很好地遥感到地面的图像。因此,发射这类航天器的发射窗口都选在白天。

(3)航天器上太阳电池翼光照条件的要求

目前在卫星以及载人飞船等航天器上,多数采用太阳能电池供电。当航天器进入轨道时,最好是在地球受到太阳照射的那一面,这时太阳电池翼受到阳光的照射,就可以立即发电供航天器使用。这是发射这类航天器选择发射窗口时要考虑的一个因素。

(4)航天器上姿态测量设备的要求

当航天器进入轨道后,需要利用航天器上的姿态测量设备(如红外地平仪、太阳敏感器等)来测量航天器的飞行姿态,以便于调姿并进入稳定的飞行状态。当航天器上的姿态测量设备工作时,如果航天器、地球和太阳处在一个较好的相对位置,就可以更精确地测量航天器的飞行姿态。正是这个原因,这也成为选择发射窗口需要考虑的一个重要因素。

(5)航天器返回地面时的光照及气象条件的要求

返回式卫星、载人飞船等航天器从轨道返回地面时,一般都希望是白天,这样的话可以更方便地寻找落地后的航天器。同时希望遇到较好的气象条件,不会出现大风等恶劣天气,以便于顺利地打开降落伞。

另外,卫星轨道精度的要求和目标天体与地球相对位置的要求等,也需要选择一个最佳发射窗口。例如,在向月球、行星和其他星体发射探测器时,必须在地球与被探测的目标天体处于一个有利的相对位置时进行发射。不过,发射空间探测器时,发射窗口一般都比较宽大。

总之,发射窗口是根据航天器本身的要求及外部多种限制条件,经综合分析计算后确定而来的。由于太阳、地球和其他星体的相对位置在不断变化,即使发射同一类型、同一轨道的航天器,其发射窗口也是不固定的。只要明白这一道理,人们就不会奇怪,为什么航天器的发射有时在早晨、有时在傍晚、有时在白天、有时在夜里了。

一旦运载火箭临时出现故障,或发生天气变化等,不能按时发射而错过了发射窗口,则只能等待下一个发射窗口。有些航天器的发射,一天之内不止一个窗口,而有的还需要等更长的时间才能再发射。