[科普中國]-SpaceX龍2飛船推遲發(fā)射，火箭發(fā)射還要看天氣？

綜合美媒報(bào)道，當(dāng)?shù)貢r(shí)間5月27日下午4時(shí)許，由于天氣原因，原計(jì)劃于當(dāng)日發(fā)射的獵鷹9號(hào)和載人龍飛船發(fā)射任務(wù)推遲。

為什么火箭發(fā)射會(huì)對(duì)天氣狀況這么重視呢？

在世界各國的航天發(fā)射過程中，都要嚴(yán)格遵守一套叫做“火箭發(fā)射天氣標(biāo)準(zhǔn)（weather launch commit criteria）”的規(guī)則，這套規(guī)則規(guī)定了各種氣象條件。如果沒有特殊的任務(wù)要求，不滿足其中任何一條就必須推遲火箭發(fā)射。

我國的載人航天發(fā)射也是如此，在發(fā)射直播期間，中央電視臺(tái)一定會(huì)采訪酒泉東風(fēng)航天城的氣象站，而氣象站一定會(huì)匯報(bào)風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、云層情況等詳細(xì)信息，最后會(huì)總結(jié)為一句話：“該氣象條件可以滿足發(fā)射要求”，然后才能進(jìn)入下一步。

那么，有哪些惡劣天氣會(huì)導(dǎo)致火箭發(fā)射推遲？

1.恐怖的雷電和雨云

希臘神話中主宰雷電的宙斯成為了眾神之王，中國神話中雷公電母也地位非凡，甚至在中國文化中最恐怖的詛咒之一也是“天打雷劈”，人類對(duì)于雷電的恐懼可見一斑。

動(dòng)圖 對(duì)于雷電來說，擊毀一個(gè)火箭（帶有高爆燃料）比擊毀汽車簡單多了

而事實(shí)上，“遭雷劈”也是火箭發(fā)射中最為恐懼的一條。

其實(shí)道理很簡單，火箭由很多精密的電子儀器構(gòu)成、且在飛行過程中需要大量的地面雷達(dá)遙測(cè)信號(hào)，雷電很容易導(dǎo)致電子儀器短路和失效，雷雨云也極大干擾地面遙測(cè)信號(hào)導(dǎo)致火箭制導(dǎo)與控制困難重重，雷擊強(qiáng)大的能量甚至可以擊毀火箭。

1987年3月26日，美國的宇宙神—半人馬火箭在發(fā)射美國海軍一顆價(jià)值超過10億美元的通訊衛(wèi)星時(shí)，就不幸遭遇了這種狀況。發(fā)射僅僅48秒后，就有強(qiáng)閃電擊中火箭，包括火箭偏航控制元件在內(nèi)的諸多器件發(fā)生故障，火箭在空中自爆，任務(wù)失敗。

1983年8月30日航天飛機(jī)第八次任務(wù)時(shí)，挑戰(zhàn)者號(hào)因?yàn)轱Z風(fēng)“巴里”被延遲發(fā)射達(dá)10天之久，攝影師Sam Walton記錄下來了延遲期間閃電擊中發(fā)射臺(tái)的場(chǎng)面 ？NASA

2.強(qiáng)風(fēng)

火箭發(fā)射并不是筆直飛向天空，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定高度后便開始轉(zhuǎn)向，從而達(dá)到任務(wù)的軌道傾角要求。

在此期間，火箭需要經(jīng)歷復(fù)雜的轉(zhuǎn)向和姿態(tài)控制，而過大的風(fēng)速、甚至劇烈變化風(fēng)速和風(fēng)向的風(fēng)切變，都顯然將影響這一控制精度。

所謂“失之毫厘，謬以千里”，起步階段的火箭對(duì)于控制精度要求極高，因此必須盡量減小強(qiáng)風(fēng)天氣對(duì)火箭的影響。

大氣是個(gè)由對(duì)流層、平流層、熱層、電離層等組成的高達(dá)100千米的綜合，在每一層都存在不同的氣象條件和風(fēng)速，它們中的任意一層出現(xiàn)異常風(fēng)速都將導(dǎo)致火箭控制大打折扣，甚至造成任務(wù)的失敗。

人類生活在對(duì)流層底部，但這里感受到的風(fēng)根本無法代表高空大氣情況。對(duì)于后者的了解需要綜合專業(yè)發(fā)射場(chǎng)氣象觀測(cè)站、探空氣球、氣象衛(wèi)星等因素而來。

國際空間研究委員會(huì)（COSPAR）公布的大氣模型中關(guān)于平均風(fēng)速的描述，可以看到對(duì)流層的風(fēng)速比起高空大氣只是小巫見大巫 ？COSPAR

SpaceX在發(fā)射獵鷹重型火箭和獵鷹九號(hào)火箭時(shí)，被高空風(fēng)切變影響而延后，更是家常便飯。

更何況在人類生活的對(duì)流層內(nèi)，這里的大風(fēng)天氣一般伴隨著風(fēng)雨雷電，這就導(dǎo)致航天發(fā)射危險(xiǎn)系數(shù)進(jìn)一步升高。

3.空間天氣

在航天發(fā)射中，需要考慮的天氣遠(yuǎn)不止地球天氣這么簡單，還要考慮行星際的空間天氣，對(duì)于地球而言，則是需要觀察太陽的活動(dòng)。

比如劇烈的太陽耀斑和風(fēng)暴可以輕易引起大范圍地球磁暴，在整個(gè)電離層引起巨大波動(dòng)，這種人類肉體難以察覺的災(zāi)難，可以輕易毀掉航天器的元件甚至直接使它們報(bào)廢。

太陽活動(dòng)和磁場(chǎng)作用不僅產(chǎn)生極光，劇烈的活動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致電離層出現(xiàn)“風(fēng)暴” ？ESA

1989年3月的太陽風(fēng)暴直接導(dǎo)致美國GOES衛(wèi)星壽命減半，日本衛(wèi)星CS-3B異常、命令電路損壞，而1998年的太陽風(fēng)暴則直接導(dǎo)致美國銀河-4號(hào)通訊衛(wèi)星報(bào)廢。

俄羅斯2011年發(fā)射的火星探測(cè)器福布斯土壤號(hào)，則是在剛進(jìn)入環(huán)繞地球軌道就遭遇了強(qiáng)宇宙射線輻射，導(dǎo)致芯片發(fā)生故障。使得中國第一個(gè)火星探測(cè)器螢火一號(hào)任務(wù)也不幸一同失敗。

在航天發(fā)射時(shí)，也需要盡力避免太陽活動(dòng)頻繁的時(shí)期，盡量使這種風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

4.低溫

極寒天氣也會(huì)對(duì)火箭發(fā)射產(chǎn)生不利影響，這體現(xiàn)在對(duì)地面發(fā)射場(chǎng)和火箭外置元器件的影響上。

挑戰(zhàn)者號(hào)發(fā)射前發(fā)射架恐怖的冰錐 ？NASA

最典型的例子就是1986年1月28日的挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)發(fā)射事故。

發(fā)射前，位于美國東海岸的肯尼迪航天中心遭遇了罕見的極寒天氣，氣溫連續(xù)處于零下，挑戰(zhàn)者號(hào)在被立到發(fā)射臺(tái)后被迫推遲。負(fù)責(zé)航天飛機(jī)助推器的生產(chǎn)商們發(fā)出過警告，發(fā)射場(chǎng)長時(shí)間低溫可能導(dǎo)致密封墊圈失效，而加注液氫、液氧后將使情況更加嚴(yán)重。

最終，挑戰(zhàn)者號(hào)的確因?yàn)榘l(fā)射期間固體助推器的O型密封圈在劇烈震動(dòng)情況下脫落失效，導(dǎo)致燃料箱發(fā)生劇烈的爆炸，挑戰(zhàn)者號(hào)事故也因此成為世界最嚴(yán)重的航天事故之一，損失慘重。

5.日照情況

火箭發(fā)射還需要考慮任務(wù)需求而制定任務(wù)時(shí)間，比如對(duì)光照要求較高的太陽同步軌道衛(wèi)星、光學(xué)氣象衛(wèi)星等任務(wù)必須白天發(fā)射，需要光學(xué)遙測(cè)制導(dǎo)的火箭也必須考慮日照情況：不能太強(qiáng)也不能太弱。

絕大部分?jǐn)y帶太陽能帆板供能的衛(wèi)星任務(wù)，也需要考慮入軌后展開太陽能帆板時(shí)的位置。不過，這個(gè)相比其他原因的影響力要小得多了。

那么，如果真的因?yàn)槭艿缴鲜銮闆r的影響，推遲發(fā)射，會(huì)造成哪些影響呢？

1.對(duì)液體火箭燃料加注的影響

液體燃料火箭是目前航天發(fā)射的絕對(duì)主流，占據(jù)了90%以上比例，它們使用的燃料一般是液氧、煤油、液氫、聯(lián)氨、四氧化二氮等，普遍需要低溫保存。

例如我國的長征五號(hào)就是一個(gè)以液氧、液氫為主要燃料的“胖冰箭”，液氧、液氫的保存更加困難，要零下252.8攝氏度（液氫）和零下183攝氏度（液氧）。

以獵鷹火箭為例，火箭發(fā)射時(shí)的脫落物里就有寒冷燃料導(dǎo)致的火箭表面水汽凝結(jié)而來的冰塊，但這只是液氧煤油燃料，液氧液氫比還冷，可見長五這種“胖冰箭”是真“冰”啊 ？Space-X

在這種情況下燃料加注的時(shí)間點(diǎn)就非常重要，否則只有在極低溫度下才能穩(wěn)定保存的液態(tài)氣體燃料將會(huì)難以在常溫環(huán)境下保存，給地面發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)造成巨大障礙。

同理，傳統(tǒng)的四氧化二氮和聯(lián)胺燃料，會(huì)對(duì)火箭罐體產(chǎn)生緩慢腐蝕作用，發(fā)射窗口也需要著重考慮這個(gè)問題。

因此，如果火箭發(fā)射被天氣問題延遲、尤其是加注燃料后被延遲，對(duì)火箭的發(fā)射安全系數(shù)影響很大，需要盡力避免。

2.發(fā)射窗口的影響

任何一個(gè)火箭發(fā)射任務(wù)都有一個(gè)叫做發(fā)射窗口的概念，比如前文提到的有些衛(wèi)星必須趕上一定日照環(huán)境。對(duì)于行星際任務(wù)，往往要趕上星球之間的相互位置，比如地球和火星之間大概每26個(gè)月才出現(xiàn)一次發(fā)射機(jī)會(huì)，已經(jīng)飛出太陽系的旅行者1號(hào)和2號(hào)更是趕上了175年一遇的罕見時(shí)間窗口才得以遍訪外圍行星（1號(hào)由于土星-泰坦探測(cè)任務(wù)主動(dòng)放棄天王星和海王星探測(cè)）。

而對(duì)于載人航天任務(wù)、尤其是有空間交會(huì)對(duì)接任務(wù)而言，更是有所謂“零窗口”的概念：由于目標(biāo)對(duì)接航天器在太空中時(shí)刻運(yùn)動(dòng)、而地球也一直在轉(zhuǎn)動(dòng)，所以目標(biāo)航天器只有在特定的時(shí)間才會(huì)路過與發(fā)射場(chǎng)位置“重合”的上空（其實(shí)是之前，因?yàn)橐紤]火箭發(fā)射期間飛船也在運(yùn)動(dòng)），所以，準(zhǔn)備對(duì)接的航天器必須按時(shí)按點(diǎn)準(zhǔn)時(shí)升空、甚至要做到與預(yù)計(jì)時(shí)間分秒不差才能在太空中準(zhǔn)確交會(huì)對(duì)接。

以國際空間站的貨運(yùn)飛船進(jìn)步號(hào)為例的地面軌跡圖，可以明顯看到要飛行很多圈之后才會(huì)重復(fù)路過某地/發(fā)射場(chǎng)上空 ？RussianSpaceWeb.com

就像國際空間站對(duì)接、我國天宮一號(hào)和二號(hào)的飛船對(duì)接實(shí)驗(yàn)一樣，在這種情況下可以想象因?yàn)樘鞖鈫栴}延遲將會(huì)多么可惜。不過好在這種延期不會(huì)很久，基本等上一兩天就會(huì)有下次窗口。

也正因如此，世界各地的發(fā)射場(chǎng)都會(huì)有極其嚴(yán)格的天氣預(yù)報(bào)流程，早在發(fā)射之前幾周便會(huì)分析各種氣象數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)發(fā)射日的天氣狀況，甚至釋放探空氣球探測(cè)局部具體信息。如果發(fā)現(xiàn)有可以驅(qū)散的惡劣天氣，比如小型雨云，甚至?xí)扇∠劝l(fā)射“火箭”的方式來應(yīng)對(duì)。

不過，此時(shí)發(fā)射的“火箭”一般都是能夠“呼風(fēng)喚雨”的專用人工降雨炮彈或火箭，它們可以通過提前下雨的方式減少天氣對(duì)發(fā)射期間的影響。

但是目前人類對(duì)于真正惡劣的天氣，比如風(fēng)暴和大型雨云，還是得靠這個(gè)態(tài)度：

“我打不起，但我躲得起”！