http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2006-07-05
美国发现号航天飞机原定在2006年美国东部时间7月1日下午3点49分(北京时间7月2日凌晨)，这一天的“窗口时间”仅为10分钟。由于天气原因，发现号航天飞机现已推迟到美国东部时间7月2日下午3点26分发射，不过在接下来的每一天，都有22分钟时间为最佳发射时间。如果7月2日还不能进行发射，发现号航天飞机将在美国东部时间7月3日休息一天后于美国东部时间7月4日再次准备发射。其“发射窗口”将一直开放至7月19日。
如果发现号航天飞机飞行顺利，亚特兰蒂斯号航天飞机将在2006年8月1日被安装在发射架上待命，8月28日发射，其发射窗口将开放至9月13日。
那么，什么是航天器的发射窗口呢？航天器的发射窗口是指运载器(包括运载火箭和航天飞机)发射比较合适的一个时间范围(即允许运载器发射的时间范围)。它是根据天体运行轨道条件、航天器的轨道要求、航天器的工作条件要求和地面跟踪测控通信、气象要求等，建立一个数学模型、输入相关数据，再经过精心计算推导出来的，因此比较复杂。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。
由于每个航天器承担的任务不同，航天器上安装的仪器、设备使用要求不同，它们对发射窗口提出了种种要求和限制条件，而这些要求有时又互相矛盾，因此选择什么时间发射就必须考虑各方面的要求，经综合平衡后选择一个比较合适的发射窗口。影响和限制发射窗口的主要因素有：
(1)地面观察的要求。在进行运载器发射试验时，一般都选在傍晚或黎明前来发射。因为这时太阳处在地平线附近，发射场区及运载器飞行路过地区的天空比较暗淡，而运载器点火升空到一定高度后就能受到阳光照射，使反射阳光的箭体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，观察运载器飞行中的姿态和外部形象，跟踪测量和观察效果比较好。但发射载人航天器现在大多选在白天，以便于观察、监测，保证安全。
(2)地面目标光照条件的要求。当发射遥感卫星时，要求卫星运行轨道下方的地面目标有很好的光照条件，以便于卫星上的可见光遥感器能很好地遥感地面的图像。因此，发射这类航天器的发射窗口也都选在白天。
(3)航天器上太阳电池翼光照条件的要求。目前航天器上大多采用太阳能电池供电，所以当航天器进入轨道时，希望是在地球受到太阳照射的一面，这时太阳电池翼与太阳的相对方位能使其产生足够电能，保证航天器上的各种仪器设备正常工作。如果阳光垂直照射在太阳电池翼上，所产生足够的电能最大；在非直射状态下，太阳电池翼的效能就会降低。
(4)航天器上姿态测量设备的要求。航天器进入轨道后，需要利用航天器上的姿态测量设备(如红外地球敏感器、太阳敏感器等)测量航天器的飞行姿态，以便调姿并进入稳定的飞行姿态。航天器上的姿态测量设备工作时，需要航天器、地球和太阳处在一个较好的相地位置，这时测量航天器的飞行姿态精度较高。
链接：由于地球温度比较高，安装在航天器上的地球敏感器的红外光线很容易发现并对准地球进行测量，但是如果有太阳光照射到红外镜头或视场，就会产生干扰，导致仪器出现故障。为保证红外地球敏感器的正常测量，需要避开太阳光的辐射影响并选择一个合适的角度。航天器在太空运行会受太阳辐射影响，太阳照射面积的大小、角度不同，将使航天器吸收不同程度的热量。要保证航天器内环境温度适宜、有一定的散热条件，从而使航天器温控适度，同样需要选择一个合适的角度。航天器入轨后，有效载荷需要对地进行观测，这也需要选择一个合适的角度保证对地观测姿态。
(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、载人飞船从轨道返回地面时，一般都希望在白天，以便寻找落地后的航天器；同时希望气象条件较好、没有大风等恶劣天气，便于降落伞打开。在选择发射窗口时就要考虑返回时的情况。
(6)另外，航天器轨道精度的要求和目标天体与地球相对位置的要求等，也要求精心选择发射窗口。例如，在向地外星体发射空间探测器时，必须在地球与被探测的目标天体处在一个有利的相对位置时来发射。不过，发射空间探测器时，发射窗口宽度一般都比较宽，有的能以天计算。
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的。航天器的发射时机要同时满足上述要求，保证太阳、地球、飞船三者处于合适的位置，约束条件较多。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。一旦由于技术原因，或天气等其他原因，不能按时发射而错过了发射窗口时，则只能等待下一个发射窗口。有的航天器发射，一天之内不止一个窗口，有的只有等几天或更长时间再发射。
这次发现号航天飞机的窗口时间是航天飞机任务组的飞行动力学专家经过精心计算得出的，7月1日之所以只有短短10分钟的发射窗口时间，主要是受到多方面发射条件限制，如天气、光照、上升轨道方向与“国际空间站”轨道的相对位置等。因此推迟发射时间1次至少是24小时。航天飞机的发射窗口主要是根据3个因素决定的：发现号必须与“国际空间站”的轨道在一个平面上才能确保对接，这个机会每天有2次；发现号的上升轨道必须由南向北，以保证它能在紧急时降落在美国的备用机场，并能将外贮箱安全抛落到海洋里，这使得2次发射机会只剩下1次可用；发射时必须有足够的光照，最好是晴朗的白天，保证航天飞机上的外部相机等能够正常工作，因此不一定每天都能有1次发射机会。
(庞之浩)
[《国际太空》]
相关报道
航天飞机是怎样发射的
1 发射前的准备
发现号航天飞机定于2006年7月1～19日进行第2次复飞，为此2006年5月12日美国航空航天局把在肯尼迪航天中心轨道器操作设施(OPF)中的发现号轨道器运至运载火箭总装大楼(VAB)，与那里的外贮箱和固体火箭助推器组装在一起；然后把呈垂直状态的航天飞机叠放在可移动的发射台(MLP)上，通过巨型拖车运到5.5千米远的39B发射塔架旁的导流槽上方。航天飞机经测试检查合格后，技术人员用3小时左右向外贮箱加注约700多吨推进剂(50万升氧、145万升氢)。
在发射前2小时30分钟时，史蒂夫·林赛等7名穿好橘红色舱内航天服的航天员通过发射塔第7层上的机组通行臂(CAA)进入轨道器，由技术人员在指定座位固定好；随后技术人员离开轨道器，密封好舱门准备发射；发射前10分钟，所有云层必须离发射塔2440千米以上，浓度低于50%(半阴天，为了在紧急返回时看清着陆场跑道)，低空的风力不能过强，在发射塔周围80千米没有任何导致闪电的云层存在，否则就要延时；发射前7分钟，机组通行臂收回，但遇到紧急情况，该通行臂可在20秒内重新装好，让航天员撤离；发射前11秒，向航天飞机下的导流槽放水，因为水可大大降低发射时的噪声，以防火箭发动机发出的巨大噪声损坏航天飞机。这时就可以点火发射了。
2 整个发射过程
(1)航天飞机发射时，其轨道器的3个主发动机在起飞前6.6秒时先以0.12秒的间隔相继点火；
(2)在升空前的最后几秒内,主发动机的推力要超过额定值的90%以上，否则会自动停机；
(3)在预定的发射的时刻来到时(现推迟到美国东部时间7月2日下午3时48分，即北京时间7月3日凌晨3时48分)，2个固体火箭助推器点火，航天飞机垂直起飞，按预定的飞行程序上升；
(4)航天飞机飞过发射塔的速度很慢，需要3秒，此后飞行控制任务由肯尼迪航天中心交给德州休斯敦的约翰逊航天中心，并将在30秒内加速到超音速；
(5)2分钟后，固体火箭助推器关机并分离，此时航天飞机的飞行高度约为45千米，其上的3台主发动机继续推进轨道器和外贮箱的结合体升空，而固体火箭助推器分离后靠降落伞悬吊落在海面上，由回收船回收，供下次再用；
(6)此后航天飞机要经历程序转弯，使航天飞机由垂直向上飞行，变为向东水平飞行；
(7)起飞后8分钟左右，航天飞机主发动机关机，外贮箱与轨道器分离，外贮箱分离后在坠入大气层时烧毁，此时轨道器进入大约远地点300千米、近地点70千米的大椭圆轨道，速度约7.5千米/秒；
(8)在40～45分钟以后，即在约300千米远地点，轨道器上的轨道机动系统发动机点火，使轨道器的轨道变成约300千米的圆轨道，进入正常运行阶段。
(庞之浩)
[新浪网]
背景资料：
“国际空间站”的建造历程
“国际空间站”的建造分3个阶段，每一个阶段都建立在前一个阶段的基础之上，但后一阶段又都比前一阶段有所突破、有所创新。其中后2个阶段采用边装配、边工作的建造模式。
1994～1998年为开始准备阶段。其主要内容是进行9次美国航天飞机与俄罗斯和平号空间站的对接飞行，送美国航天员到和平号上累计工作近3年，取得航天飞机与空间站交会对接以及在空间站上长期进行生命科学、微重力科学实验和对地观测等方面的经验，训练美国航天员在空间站上的生活和工作能力，从而降低 “国际空间站”研制、装配和运行中的技术风险。美国航天飞机与俄和平号空间站最后一次对接于1998年6月12日圆满结束。美方认为9次对接收获很大，它使美国航天员在处理危机方面得到了很好的锻炼。如没有这项合作项目，和平号上出现的许多问题将来在“国际空间站”出现时就无法处理；对接使两国航天员取得了共同处理问题的经验，建立起了合作精神。此外，9次对接飞行还验证了俄罗斯研制的对接系统和航天飞机控制大型空间站姿态的能力；完成了降低装配风险的研究；试验了美俄地面控制中心之间交换数据的各种方法。
1998～2001年为初期装配阶段。1998年11月20日，俄罗斯质子号火箭发射了美国出钱、俄罗斯制造的“国际空间站”第1个舱——曙光号多功能舱，此后又陆续发射了美国团结号节点舱-1、俄罗斯星辰号服务舱、第1副美国巨形太阳能电池翼、美国命运号实验舱、加拿大巨型遥控机械臂，2001年7月12日为“国际空间站”送去的美国探索号气闸舱标志着“国际空间站”初期装配阶段的结束，此时“国际空间站”达到了可提供3名航天员在轨工作的能力。
2002～2010年为最后装配阶段。主要内容是完成“国际空间站”的装配，达到6人长期在轨工作的能力。现已发射和组装了部分美国桁架(整个桁架由11段连接而成，目前连接了3段)和加拿大移动服务系统，2007年起还将发射和组装欧洲哥伦布号实验舱、日本希望号实验舱、俄罗斯能源舱、其他美国桁架结构、太阳能电池阵和美国的居住舱等。该阶段现定于2010年完成，美国居住舱在轨装配完毕后标志着这座空间大厦在太空落成，其工作寿命10年～15年。
由于哥伦比亚号于2003年2月1日失事使所有航天飞机停飞，因而在2003～2006年期间，“国际空间站”没有增加新的组件，只是通过定期更换2人长期考察组进行维护，并开展一些科学实验和技术试验，为“国际空间站”的后期建造工程做一些准备工作。
虽然，2005年7月26日发现号航天飞机进行了首次复飞，并与“国际空间站”对接，但它只为“国际空间站”输送了一些给养和设备，运回自2002年最后一次航天飞机访问空间站以来存放的大量垃圾，完成了用空间站遥控机械臂拆除和更换控制动量陀螺-1(CMG-1)等工作，而没有为空间站运去较大的新组件。
2006年7月执行的航天飞机STS-121任务与2005年执行的STS-114首次复飞时类似，即除为“国际空间站”输送了一些给养和设备，运回空间站存放的垃圾外，也没有为空间站运去较大的新组件，但为空间站第13长期考察组运去了1名新成员，即欧洲航天局航天员托马斯·赖特。从此，空间站上的常驻人员由哥伦比亚号失事以后的2名恢复到3名。赖特也将成为第一位在“国际空间站”长期逗留的非美国或俄罗斯航天员。在航天飞机第2次复飞的过程中，航天员还将出舱更换“国际空间站”移动服务系统的1根电缆。
如果这次发现号飞行顺利，则2006年8月或9月发射装有“国际空间站”部件的亚特兰蒂斯号航天飞机。其实，2006年7月的航天飞机STS-121任务应由亚特兰蒂斯号完成，但由于航天飞机第3次复飞需为空间站输送的设备太重，而发现号无法承担，所以就按照目前这样的飞行顺序安排了，以免亚特兰蒂斯号连飞两次。
不过，亚特兰蒂斯号将成为首架退役的航天飞机，退役时间极有可能在2008年。这是因为2008年它已到了该进行维护的时候了，而这一过程将持续2年时间，所以与其花费2年时间以及大量资金对亚特兰蒂斯号航天飞机进行维护，还不如让其退役。这架造价30亿美元的航天飞机在退役前还有可能再进行四五次太空飞行。
目前，“国际空间站”总质量约为183吨。如果航天飞机每年发射4～5次，它可以在2010年完工。建成后的“国际空间站”将是总质量约423吨。长108米、宽88 米、密封舱容积达1202米3的大型空间设施，可成为近地轨道上有人直接参与各种科学研究活动的基地。
(庞之浩)
[《国际太空》]
