地球与火星之间的霍曼转移轨道

　　身边的天文学

　　航天技术的发展为天文观测提供了新的手段。运行在近地轨道的哈勃、斯必泽等太空望远镜突破了大气层的阻挡，使天文学家们能够“原汁原味”地观测到天体在各个波段发射的信号，而远赴太阳系边缘、冥王星轨道的“旅行者”号飞船和“新视野”号飞船，则给天文学家们近距离观测太阳系行星的机会。近日，中国航天科技集团十一院研究员周伟江透露，我国的火星探测器计划于2020年发射，目前已完成气动外形设计，以及气动力、气动热设计工作。

　　探测器的发射时间与很多因素有关，其中很重要的一个便是发射窗口。发射窗口是航天发射可以实施的时间范围，一旦航天器的发射错过了既定的发射窗口，就需要等待或长或短的一段时间后，才能再次尝试发射。那么，发射窗口究竟是如何确定的，不同航天器的发射窗口又有哪些不同？

　　深空航天器：窗口有时百年一遇

　　对发射窗口要求最为苛刻的，要属飞往火星甚至更远太空的航天器。受目前人类航天技术的限制，这类航天器一般要选择比较节省燃料和推力的方式在太空中转移，无法像一般人想象的那样可以在失重的太空中自由飞翔。

　　以目前开展最多的火星探测为例，要从地球上去往火星，必须通过一条叫做“霍曼转移轨道”的椭圆形轨道飞行。航天器发射升空后，先在地球附近加速，进入霍曼转移轨道，再在火星附近减速，被火星捕获。深空航天器通过霍曼转移轨道从地球到火星轨道的飞行时间是固定不变的，因此航天器发射时，火星和地球的相对位置必须要使航天器到达转移轨道的远日点时，火星刚好在那里“等待”航天器的到来。这样的发射时机，大约每26个月才会出现一次。错过之后，就必须等待下一次发射窗口。

　　对于一些更为复杂的航天飞行，为了节省燃料，需要借助大行星等天体的引力作用，为飞行器加速。这种飞行被称作借力飞行。借力飞行对其他行星位置的要求更加苛刻，因此发射窗口之间的间隔就更长。例如，美国“旅行者”号计划的实施，源于一位工程师发现上世纪七十年代土星、木星、天王星和海王星的相对位置，使得一艘从地球发射的探测器能够在各个行星附近进行连续的借力飞行，探索火星轨道之外所有的太阳系大行星。而同样的探测良机再次出现，要等到176年之后了。

　　地球附近的飞行器：根据任务定窗口

　　为了节省因为变轨而消耗的燃料，航天部门一般希望近地轨道飞行器由火箭发射入轨后，就能在那个轨道上较好地执行任务。资源卫星、照相侦察卫星、中轨道气象卫星等，一般要求卫星飞到探测目标上空时，目标恰好处于较好的光照条件中。这样，才能得到质量比较高的观测数据。所以，这些卫星的发射窗口也是根据卫星“路过”目标区域的时间倒推出来的，以此来保证卫星对目标区域实施有效覆盖。

　　发射地球同步轨道卫星时，由于卫星要在近地轨道和地球同步轨道间的转移轨道上滑行较长时间，而转移轨道远地点进行的变轨操作一般希望在白天进行，以满足卫星工作对太阳角和日地张角的要求。按照卫星在转移轨道上的飞行时间反推后，得到的发射窗口一般在夜间，发射窗口的宽度在1小时左右，错过后就要等待第二天。在发射探月飞船时，在飞行过程中要执行几次复杂的变轨操作。在此期间，飞船必须处于地面站的有效测控范围内，来保证变轨的精确完成，这也对发射窗口的选择做出了限制。

　　载人航天交会对接：零窗口发射最精确

　　神舟八号、天舟一号等为载人航天服务的飞行器，在发射时都实现了零窗口发射。所谓零窗口，是指根据计算好的发射时间，分秒不差地将飞船发射到太空中去，而不像其他发射那样，在一段或长或短的时间内均可发射。这些飞船发射到太空中后，要与天宫一号、二号等飞行器实现交会对接。

　　要使两个在太空中高速飞行的航天器准确相遇，又不在中途耗费过多燃料修正轨道，就必须使用零窗口发射这种极其精确的发射方式。零窗口发射并非时间一到就按动发射按钮那么简单。由于火箭在起飞前要进行加注燃料、火箭状态检查等工作，存在些许不正常现象就要排除异常。像长征七号这种使用低温燃料的新型火箭，燃料不能太早加注进火箭，应变异常情况的余地更小，零窗口发射的难度也就更大了。几次零窗口发射的成功，在一定程度上体现了我国航天技术的发展。（作者李会超系中科院国家空间科学中心博士生）

来源：科技日报

作者：李会超

编辑：曾映雪