科技大讲堂

神舟十四号成功发射!聊聊背后的气象奥秘!

北京时间2022年6月5日10时44分

搭载神舟十四号载人飞船的

长征二号F遥十四运载火箭

在酒泉卫星发射中心点火发射

神舟十四号载人飞船与火箭成功分离

进入预定轨道

发射取得圆满成功

神舟十四号载人飞船发射取得圆满成功 图/新华社

这是我国载人航天工程立项实施

以来的第23次飞行任务

也是空间站阶段的第3次载人飞行任务

那么,有哪些气象因素

会影响飞船上天呢?

一般来说

航天器的发射需要的气象指标

包括温度适宜

风速合适

地面到高空不能有强的风切变

不能有雷电

强降水等强对流天气等

    1、天气对火箭发射影响有多重要?

    火箭怕风?

    对于一艘巨大的飞船来说,刮点风真的会对它产生影响吗?

    以长征五号B运载火箭为例,重量超过837吨,是着实的庞然大物。发射前要先在组装车间完成组合以及竖立的过程,随后需要依靠专用的转场运输车将火箭运送至预定发射工位,2.7公里的路程不算远耗时却高达两个半小时,一路上是又慢又稳,怕的就是震动和突然地横向加速度造成火箭重心的偏移,而来自地面的浅层风就会严重威胁火箭的垂直稳定性,因此,为了保障火箭转运途中的安全,一般规定距离地面100米高度以下的风速不能超过10米每秒。

    首飞成功!长征五号B运载火箭升空瞬间超燃 图/央视新闻

    另外,当火箭安全运达发射塔架之后,风仍然威胁着箭体的安全,通过实验数据,当风速达到6米每秒时,箭体侧向所承受的弯矩力将达到1700公斤每米,而当风速进一步加大到10米每秒时,这种横向弯矩力会陡增到5600公斤每米,如果风力再大甚至会造成火箭因“弯折”而损坏。

    所以,火箭到达发射塔架后直到发射当日之前的这段时间里,都会由塔架的金属门神将他“抱在怀里”好好的保护起来。

    火箭怕雷击?

    火箭的箭体出于强度的要求往往是由金属材质构成的,这样的导体非常容易成为雷电的“攻击”对象,而超高能的攻击往往会带来严重后果,造成火箭和载荷的重要器件损坏,所以,雷电在发射场周围是“禁止访问”的对象,发射场周围10公里半径范围内不能有雷电出现是发射条件的下限

    为了防止有漏网的雷电突然袭击火箭,发射场塔架四周还会配备更高的避雷塔,比如文昌发射场就给发射工位建造了四座高度超过100米的避雷塔,用它们组成的防雷屏障给予火箭和发射塔架安全的发射环境。

    湿度、温度等影响几何?

    大气湿度,对于处在飞行过程中的火箭而言倒还好,但是发射前的固体燃料火箭,最怕潮湿天气,因为它会降低燃料的燃烧效能,火箭飞起来没劲儿,速度慢了,高度也低了,相同燃料和飞行时间的情况下,距离就短了,也就可能完不成既定任务。

    天和核心舱全貌 图/航天科技集团

    再比如大气压强,它会给火箭飞行额外制造阻力。从微观角度来看,火箭飞行时会透过流体的外形破开空气墙的阻拦,而大气压强较大的时候,火箭要面对更多气体微粒的包裹,与潮湿空气对固体火箭的影响似,大气压也会造成火箭飞行的额外负担。

    除此之外,温度对火箭发射的影响也很大,一般要求发射场温度要在40℃到-20℃之间,这主要是出于对燃料和密封零部件的考虑。温度太高,火箭燃料会加速蒸发流失,温度太低又会造成燃料凝固,密封器件失效造成燃料泄漏,或是重要线缆的松脱,管路堵塞等等异常。

    2、发射基地选址与气象因素有关?

    以酒泉卫星发射中心和西昌卫星发射中心为例,酒泉卫星发射中心:降水少。

    酒泉卫星发射中心是测试及发射“长征”系列运载火箭、中低轨道的各种试验卫星、应用卫星、载人飞船和火箭导弹的主要基地。是我国规模最大的卫星发射中心。

    神舟十四号载人飞行任务航天员乘组出征仪式在酒泉卫星发射中心问天阁广场举行 图/新华社

    该中心所在地属于西北极端干旱区,属于内陆及沙漠性气候,降水极少,年降水量仅为76.9 毫米,且变率大,地理、季节分布不均,主要集中在6 月至9 月。这里地势平坦,人烟稀少,一年四季多晴天,云量小,日照时间长。每年约有300天可进行发射。

    西昌卫星发射中心 :兼具低纬度和晴好天气优势

    西昌卫星发射中心位于四川省西昌市大凉山峡谷腹地,自交付使用以来,发射活动已突破100 次。

    西昌卫星发射中心西昌发射场 图/新华网

    西昌具有“天然发射场”的优越条件:

    一是纬度低(北纬28.2 度),海拔高(1500 米),发射倾角好,地空距离短。纬度越低离赤道越近,这既可充分利用地球自转的离心力,又可缩短地面到卫星轨道的距离,从而增加火箭的有效载荷。

    二是峡谷地形好,地质结构坚实。这样的条件有利于发射场的总体布局,对地面发射设施、技术设备及跟踪测量和通信布网有利,能满足多个发射场的建设。

    三是晴好天气多,发射窗口好。西昌年平均气温16.9℃,是全国气候变化最小的地区之一,日照多达320 天,几乎没有雾天,试验周期和允许发射的时间较多。

    3、航天发射的气象保障工作有哪些?

    适宜的天气状况是必要发射条件之一,发射火箭需要天气合适的窗口时间,窗口其长度和精度因任务不同而存在较大差异,有的以天计算,有的以小时计算,有的则以分秒计算。

    兰州中心气象台工作人员在星箭组合体垂直转运现场开展气象保障服务 图/魏栋

    发射窗口是一个确定的时间点,如果一秒都不能差,就叫“零窗口”发射。在发射神舟十四号载人飞船时,各级气象部门高度重视此次保障任务,提前安排部署相关工作。

    另外,雷电、降水、云量、温度、露点温度、相对湿度、大气电场、地面浅层风、高空风等气象要素对于火箭发射而言,一个都不能少。风云卫星、探空气球、多普勒雷达种种先进的监测手段都要配齐,预报员的丰富经验再结合计算机的数值预报,多方着手,把脉天气。

    每一次火箭发射任务的载荷各有不同,气象团队也会针对火箭发射环节中的每个关键节点,结合可能出现的风险情况划分不同等级,制定详细的事件分析,做好相应的预防措施和风险监控预案。

    用航天人的话来说,航天发射是一项高技术、高风险的系统工程,正是科学的决策、严谨的作风和成熟的心态,帮助航天人取得了一次又一次成功。越是临近发射窗口,就越是要劲儿的时候。每每此时,气象团队临危不乱、不惧干扰、准确研判、决策把关的身影,会给整个任务团队带来一份安心。

    祝贺!神舟十四号载人飞船发射取得圆满成功!

中国气象局宣科中心(中国气象报社)出品作者:国家空间天气监测预警中心工程师 韩大洋消息参考:大气科学学报 科技日报编辑:大淼审核:段昊书

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