火箭登天三步曲
火箭要进入预定轨道通畅运行,需要航天发射场的指挥与遥控。航天发射场通常由测试区、发射区、发射控制中心、综合测量设施、勤务保障设施和管理服务部门组成。
测试区即技术大本营。运载火箭及其有效载荷首先要在这里进行一系列周密的检查、装配和测试,测试合格后方能运到发射区。发射区即负责火箭的发射工作,设有发射装置、发射控制室以及一套发射所需要的各种设备。
俄罗斯普列谢茨克航天发射阵地
发射装置包括发射台、勤务塔和脐带塔。发射台用于支承和固定运载火箭,可进行垂直度调整和方位瞄准。发射台下设有导流槽,用来排泄高温、高速的燃气流。勤务塔用于运载火箭和有效载荷的吊装、起竖和对接,提供对其检查、维护和测试的工作条件。勤务塔可通过地面导轨移走。脐带塔为固定在发射台侧面的钢制桁架结构,塔上敷设有推进剂、压缩气体、供水和空调等管路,以及测试、动力、通信和电视电缆。塔上还有活动平台和伸缩式悬臂,在发射起飞前的规定时间内脱离开运载火箭。整个发射塔架高耸入云,一般高四五十米。
发射控制室与指挥控制室、安全控制室、计算中心、设备保障室在一起,组成运载火箭发射实施指挥、监控和管理的发射控制中心。发射控制室内安装各种仪表设备,在发射期间操纵并监视发射台上的各项工作。指挥控制室内设有指挥控制台、终端设备、电视设备、指挥通设备,用于指挥、协调、控制和监视发射场的各个系统,还有显示发射作业计划、气象、运载火箭飞行状态、测控设备工作状态和各种时间参数的大型屏幕。安全控制室内装有安全控制台、通信设备和显示运载火箭飞行的瞬时坐标、速度、加速度、落点等的大型屏幕,还有记录设备、报警装置等。计算中心实时计算、记录、处理发射和飞行过程中的各种测量信息,并把计算结果传送到控制室、测控站。航天发射场的组成部位及其功能大致就介绍到这。
美国航天发射场上的F15
运载火箭从离开地面直到进入轨道,一般要经过三个阶段:首先是垂直起飞段。这一阶段也就是在火箭接到命令时的那一瞬间的飞行阶段,时间非常短暂,一般10秒。火箭刚开始飞行时的加速度很小,以便保证飞行的稳定,同时也有助于使火箭能尽快飞出稠密大气层,减小空气阻力引起的速度损失;其次是转弯飞行段。为了有效的送入正常轨道,运载火箭必须在制导系统作用下,通过执行机构发布的命令,偏离垂直飞行状态,逐渐使速度方向转向水平,并在入轨点达到所要求的速度方向;第三是过渡飞行段。对于低轨道航天器而言,当运载火箭达到所要求的轨道高度和相应的轨道速度时,火箭就完成了它的任务,它运载的有效载荷与末级火箭分离后进入运行轨道。对于高轨道或执行星际航行任务而言,运载火箭的末级火箭首先进入一条低轨道,作为暂时停留的中间轨道,然后末级火箭经过一定时间的运行,再次把有效载荷加速进入到飞向目标的转移轨道,火箭与有效载荷分离,从而把有效载荷推入最终轨道。
在运载火箭发射离开发射台、进入空间轨道,要飞行几百千米甚至几千千米,这样长时间的飞行,那地面又是靠什么知道它的飞行状况呢?这就需要借助地面雷达、光学跟踪仪器设备进行跟踪监视,航天测控中心和各地测控站便担负起了这个任务。所以航天测控系统也是运载火箭发射和飞行的不可缺少的一个组成部分。
航天机转场
火箭发射前还有一项重要工作——选择发射窗口。发射窗口就是允许火箭发射航天器的时间范围。发射窗口是根据航天任务和外界限制条件而确定的,并随这些因素的变化而改变。影响发射窗口的外界条件有以下几种:天体运行轨道条件。以探测太阳系内某一天体为目的的空间探测器要与目标天体接近或相遇,必须在地球与目标天体处于一定的相对位置之前和之后的某个时间区内瞄准正在运动的目标天体发射,这个时间区间就是发射窗口。如错过这段时间,地球与目标天体的相对位置发生变化,发射窗口和发射路线也随之改变;航天器的轨道要求。近地轨道航天器的交会和对接、用多颗非静止轨道的通信卫星和导航卫星组成专用网,都必须根据轨道分布的要求,按照严格规定的时间范围发射;航天器的工作条件要求:卫星的使命要求卫星-地球-太阳之间有一定的相对位置,而且卫星有特定的姿态,以保证卫星上的设备能正常工作和完成预定的任务。地球资源卫星、照相侦察卫星要求目标区域有较好的地面光照条件。太阳同步轨道卫星则要求长期不进入地影。这些要求条件都对发射时机构成一定的限制。除了以上列举的主要条件,还有发射方向、地面跟踪测控和气象等。在进行航天器轨道设计时,必须将所有对发射时间的限制条件逐项加以计算,通过综合分析,才能确定这一项航天任务的发射窗口。