最近SpaceX猎鹰重型火箭成功发射的消息不断刷屏,但它的发射时间一推再推也让很多关注的人郁闷无比。明明天气晴朗无风,为什么非说风太大而推迟?在世界各国的航天发射过程中,都要严格遵守一套叫做“火箭发射天气标准”的规则。这套规则规定了各种气象条件。如果没有特殊的任务要求,不满足其中任何一条就必须推迟火箭发射。
其中最傲娇的恐怕就是航天飞机发射了,由于航天飞机拥有超过250万个零件、平均算下来每次发射费用达到15亿美元之巨,不得不对天气更为小心。在航天飞机的任务历史中,有接近一半的延期发射与天气因素相关。
我国的载人航天发射也是如此,在发射直播期间,中央电视台一定会采访酒泉东风航天城的气象站,而气象站一定会汇报风速、风向、温度、湿度、云层情况等详细信息,最后会总结为一句话:“该气象条件可以满足发射要求”,然后才能进入下一步。为什么火箭发射会如此敏感于天气状况呢?而哪些恶劣天气会导致火箭发射推迟?恐怖的雷电和雨云、强风、空间天气、低温、日照情况等都是影响火箭发射的重要因素。
火箭发射并不是笔直飞向天空,当到达一定高度后便开始转向,从而达到任务的轨道倾角要求。在此期间,火箭需要经历复杂的转向和姿态控制,而过大的风速、甚至剧烈变化风速和风向的风切变,都显然将影响这一控制精度。所谓“失之毫厘,谬以千里”,起步阶段的火箭对于控制精度要求极高,因此必须尽量减小强风天气对火箭的影响。
大气是个由对流层、平流层、热层、电离层等组成的高达100千米的综合,在每一层都存在不同的气象条件和风速,它们中的任意一层出现异常风速都将导致火箭控制大打折扣,甚至造成任务的失败。人类生活在对流层底部,但这里感受到的风根本无法代表高空大气情况。对于后者的了解需要综合专业发射场气象观测站、探空气球、气象卫星等因素而来。
在航天发射中,需要考虑的天气远不止地球天气这么简单,还要考虑行星际的空间天气,对于地球而言,则是需要观察太阳的活动。比如剧烈的太阳耀斑和风暴可以轻易引起大范围地球磁暴,在整个电离层引起巨大波动,这种人类肉体难以察觉的灾难,可以轻易毁掉航天器的元件甚至直接使它们报废。极寒天气也会对火箭发射产生不利影响,这体现在对地面发射场和火箭外置元器件的影响上。
最典型的例子就是1986年1月28日的挑战者号航天飞机发射事故。发射前,位于美国东海岸的肯尼迪航天中心遭遇了罕见的极寒天气,气温连续处于零下,挑战者号在被立到发射台后被迫推迟。负责航天飞机助推器的生产商们发出过警告,发射场长时间低温可能导致密封垫圈失效,而加注液氢、液氧后将使情况更加严重。
最终,挑战者号的确因为发射期间固体助推器的O型密封圈在剧烈震动情况下脱落失效,导致燃料箱发生剧烈的爆炸,挑战者号事故也因此成为世界最严重的航天事故之一,损失惨重。火箭发射还需要考虑任务需求而制定任务时间,比如对光照要求较高的太阳同步轨道卫星、光学气象卫星等任务必须白天发射,需要光学遥测制导的火箭也必须考虑日照情况:不能太强也不能太弱。
绝大部分携带太阳能帆板供能的卫星任务,也需要考虑入轨后展开太阳能帆板时的位置。不过,这个相比其他原因的影响力要小得多了。如果火箭发射被天气问题延迟、尤其是加注燃料后被延迟,对火箭的发射安全系数影响很大,需要尽力避免。任何一个火箭发射任务都有一个叫做发射窗口的概念,比如前文提到的有些卫星必须赶上一定日照环境。
对于行星际任务,往往要赶上星球之间的相互位置,比如地球和火星之间大概每26个月才出现一次发射机会,已经飞出太阳系的旅行者1号和2号更是赶上了175年一遇的罕见时间窗口才得以遍访外围行星。
而对于载人航天任务、尤其是有空间交会对接任务而言,更是有所谓“零窗口”的概念:由于目标对接航天器在太空中时刻运动、而地球也一直在转动,所以目标航天器只有在特定的时间才会路过与发射场位置“重合”的上空(其实是之前,因为要考虑火箭发射期间飞船也在运动),所以准备对接的航天器必须按时按点准时升空、甚至要做到与预计时间分秒不差才能在太空中准确交会对接。
就像国际空间站对接、我国天宫一号和二号的飞船对接实验一样,在这种情况下可以想象因为天气问题延迟将会多么可惜。不过好在这种延期不会很久,基本等上一两天就会有下次窗口。也正因如此,世界各地的发射场都会有极其严格的天气预报流程,早在发射之前几周便会分析各种气象数据预测发射日的天气状况,甚至释放探空气球探测局部具体信息。如果发现有可以驱散的恶劣天气,比如小型雨云,甚至会采取先发射“火箭”的方式来应对。
不过,此时发射的“火箭”一般都是能够“呼风唤雨”的专用人工降雨炮弹或火箭,它们可以通过提前下雨的方式减少天气对发射期间的影响。但是目前人类对于真正恶劣的天气,比如风暴和大型雨云,还是得靠这个态度:“我打不起,但我躲得起”!