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长征火箭和神舟十三号早已测试完毕,为何迟迟不发射?

航天发射是一项高风险的事业,为了确保成功,航天器通常都会有一个一模一样的备胎。嫦娥四号是嫦娥三号的备份,天宫二号是天宫一号的备份,神舟十三号是神舟十二号的备份,长征2F遥14火箭同样也是遥13火箭的备份。如果前边那个在天上出了故障,地面会立刻把备胎拿来检查,排查故障位置,拿出解决办法;当天上那个修不好或者发射失败,备份会很快发射进行顶替。前边那个成功了呢?备胎也不会浪费,科学家会更换一些新仪器,让它执行新的使命任务。

长征2F“箭在弦上”

2021年6月17号,神舟十二号飞船载着三名航天员从酒泉卫星发射场成功发射,一模一样的神舟十三号飞船就已经在发射中心处于待发射状态,这一等就是112天。直到神舟十二号成功返回,10月7日,长征2F与神舟十三号组合体才转移到发射塔架,然后又等了4天。

酒泉卫星发射中心

神舟飞船到底在等什么呢?内行的航天迷会告诉你:它在等“发射窗口”。

你可能又会问了:天空那么大,没门没窗,倒数十个数“5、4、3、2、1,点火”发射就是了,哪来的发射窗口呀?

发射火箭可不是放二踢脚,想放就放。火箭绕地球飞行,科学家们给它设计了专门的飞行轨道,航天器任务不同,它飞行的轨道也会不一样:有的要沿着地球赤道飞、与地球自转保持同步,这叫地球同步卫星;有的要沿着地球经度线飞、从北向南或者从南向北绕地球兜圈子,这叫极轨卫星或者太阳同步轨道卫星;还有的比如空间站或通信卫星会斜着飞,你还得考虑别跟其它航天器撞上。针对不同的轨道和不同的任务,火箭的发射时间会不一样。

长征2F遥12火箭成功发射

我们向月球发射嫦娥探测器、向火星发射天问一号探测器,会选择地月、地火距离最接近的那段时间发射,这样可以节省燃料,同一枚火箭能带更大更重的载荷。

载人航天发射就更复杂了。神舟五号飞船发射之后,杨利伟是要返回来的,飞船的着陆场确定了,火箭的飞行轨迹就要十分精确,它发射的时间也就被卡得很死,发射窗口宽度只在几秒到十几秒。神舟十二号、天舟三号由于要跟天和核心舱快速交会对接,它需要做到“零窗口”发射,早晚1秒都不行。

神舟十三号将与空间站径向对接

讲到这里你应该明白了:“发射窗口”并不是要在天上装一个窗子,它其实是一个“时间窗口”,火箭在某一个时间范围里发射,它才能进入正确轨道,完成它的使命。

那么,神舟十三号的发射窗口是怎么确定的呢?

首先,神舟十三号的任务是把航天员送到中国空间站上去,它需要与空间站交会对接,所以我们先得看天和核心舱的位置在哪里,找一个与它最接近的时间点发射火箭。

当天和核心舱越过酒泉卫星发射场上空时,我们与它的距离最近,发射窗口首选的是天和核心舱轨道投影线穿过发射场之前的某一个瞬间。

空间站10月13日凌晨越过发射场上空

空间站大约每1.5小时绕地球飞一圈,事实上它很少有机会恰好穿越发射中心上空,当空间站轨迹偏离发射塔几十公里,火箭飞行的轨道面与空间站运行的轨道面会形成一个夹角,这时候就需要运载火箭和飞船额外消耗燃料调整飞行轨迹,消除轨道偏差,否则就会与空间站擦肩而过。

大多数飞船需要一到两天时间、绕地球飞行几十圈来修正轨道,最终靠近空间站。俄罗斯联盟号载人飞船的最快对接速度是3小时、发射后绕地球两圈就完成与国际空间站的对接,这一方面得益于火箭运载能力强、发射窗口把握准,同时也有运气的成分――国际空间站轨道刚好离拜科努尔发射中心非常近。

神舟十二号飞船发射升空

并不是所有空间站“过顶”的瞬间都可当作发射窗口,科学家还需要考虑火箭残骸接下来会掉到哪里。空的助推器和一二级火箭重达几吨,里边还有些剩余燃料,砸到花花草草问题不大,要是落在城市里就可能造成巨大损失。所以如果空间站的运行轨迹指向人口密集区域,即便其它条件都很好,火箭也不能发射。

长征火箭残骸落在偏僻地区

影响发射窗口的另一个重要因素就是发射场的天气。火箭飞行的前几十秒需要穿越稠密的大气层,如果气象条件复杂、高空风很大,就可能把火箭吹偏甚至导致事故。这时候火箭需要额外消耗更多燃料来修正偏差,当计算结果认为偏差很难修正,就只能等待下一个发射窗口。

早年的火箭发射还要考虑地面观察的方便、发射后太阳能帆板展开后有太阳照到、飞船返回地面落点的准确,随着技术进步,现在这些对于神舟飞船来说都不重要了。

讲了这么多,让我们回到最初的问题:神舟十三号在等什么?它在等待一个完美的发射窗口,这个“时间窗口”大约每3天出现一次,但并非每次都很完美。

神舟十三号的下一个发射窗口

10月13日凌晨1点46分,天宫空间站会越过酒泉卫星发射中心。如果当时气象条件合适,我们会看到长征2F遥13火箭托举着神舟升空。否则就需要再等3天,到10月16日0点23分,这将是神舟13号下一个理想的发射窗口。

祝福我们的航天员旅行顺利!