星空万象

2020年是中国航天辉煌的一年，航天发射任务频繁，创造了多个“首次”。不知道大家有没有发现，在火箭发射任务前，我们经常在媒体报道中看到“择机发射”四个字，例如：

“长征五号遥五运载火箭和嫦娥五号探测器已垂直转运至发射区，计划于11月下旬择机实施发射。”

“长征八号遥一火箭12月底择机发射。”

长征八号的首飞任务甚至还推迟了两天发射。

那么，火箭发射择的到底是什么“机”？什么因素会限制和影响发射时机？

在运载火箭发射中，大多时候它是承担着发射不同航天器的任务，因此，最主要的是要考虑搭载火箭的“乘客”的需求。那么就要根据具体的发射任务，选择一个比较合适的发射时间范围，主要考虑与目标之间的相对位置关系，使航天器能够沿着最有效率的路线到达目的地。这个发射时间范围称为“发射窗口”，也是在航天发射任务中择的最关键的“机”。

发射窗口有宽有窄，宽的可以以月计算，窄的大多以秒计算，甚至可以为零。

年窗口

以某一年内连续的月数形式表示，一般用于行星际探测任务。一般是一年甚至几年才能遇到一次，例如，在太阳系的八大行星中，飞往火星的有利发射时机间隔的时间最长。随着天体运动，每隔大约779天，地球会位于火星和太阳中间，此时地球距离火星最近，也就是说，每两年零两个月才有一次向火星发射探测器的窗口。

除了考虑时间，节约燃料也是科学家们要考虑的因素，因此火星探测并不是直线飞行火星，而是还要设计节省燃料的路线，例如最省燃料的“霍曼转移轨道”，以曲线进入太空，经过两次加速进入高轨道，通过这种方式，探测器惯性滑行的距离最长。当然，这要以在发射窗口内发射为前提。2020年的“火星冲日”是10月14日，而这之前的两三个月是发射窗口，这就是为什么在2020年7月底各国纷纷“飞向”火星，其中也包括中国的天问一号，毕竟错过要再等很长时间。

月窗口

以某个月内连续的天数表示，一般用于行星和月球探测任务。例如，在发射月球探测器时，主要是根据地球与月球的空间位置关系、停泊轨道和奔月轨道的各种参数，同时也考虑节约燃料的原则来选择发射窗口。我们知道，月球围绕地球运动的轨道相对于地球赤道有一个倾角，这个倾角在18°19′~28°35′之间变化，这个倾角就决定了赤纬范围。只要奔月轨道远地点的纬度范围小于赤纬的范围，原则上每天都有一次发射机会。而纬度调节范围在这个倾角范围以内且轨道倾角比较小时，每个月发射的机会就多一些，当轨道倾角比较大时，发射机会就要少一些。

月球轨道在地球上星下点轨迹的变化范围

日窗口

以某日内某时刻到另一时刻的形式表示，一般用于近地轨道、地球同步转移轨道任务的卫星、飞船等航天器的发射任务。发射窗口主要与位置关系、航天器运行姿态和轨道有关。我国长征三号乙运载火箭发射北斗三号卫星时，就选择了日窗口。

我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭成功发射第49颗北斗导航卫星。

零窗口

在预先计算好的发射时间分秒不差地发射出去，不允许有任何延误与变更。

其实，对于航天发射任务，一般都会同时计算三种或两种发射窗口，发射行星际探测器也会同时选择年、月和日发射窗口，最终的发射时间由日窗口确定。而零窗口发射对任务实施来说虽然难度较大，但是具有效率更高，更节省燃料等优点。我国嫦娥一号卫星因为采用了零窗口发射而节省了120千克燃料；在天宫一号与神舟八号飞船的对接任务中，也是把火箭点火起飞的时间精确到秒，最终实现了完美对接。

选择发射窗口时，除了要考虑重要的位置关系、轨道条件和发射成本以外，还要考虑很多其他限制条件和影响因素。例如：

太阳光照

很多航天器采用太阳能电池供电，这就需要在选择发射窗口时考虑通过太阳光照获得能量的问题；一些主要用来对地观测的人造卫星，需要白天经过地面目标区域，因此发射窗口要选择在白天；而2020年的嫦娥五号选择在凌晨发射的原因之一是为了减少太阳活动对嫦娥五号的干扰，另外，还要考虑月球探测器着陆时的太阳高度，过高或过低都可能会影响探测器的工作。

地面追踪和测控

航天器发射升空以后，需要与地面保持联系，以便对其进行跟踪和测控。如果发射窗口的选择不利于地面设备的追踪和控制，可能会导致任务受到影响甚至失败。火箭选择在凌晨或傍晚发射是考虑到它与昏暗的周围环境能形成反差，便于进行光学和测量设备的跟踪，这也是嫦娥五号选择在凌晨发射和着陆的原因之一。

西安卫星测控中心喀什深空站

天气和环境因素

包括雷电、降水、温度、风力风向和云量等气象要素。当发生雷击和乌云现象时，可能会损坏火箭和航天器的电子设备；当风力过强时，气流冲击会影响飞行姿态等。这次的嫦娥五号选择在凌晨发射的另一个原因就是：天气状况稳定有利于发射任务，且较少的云层有利于信号的传播。而长征八号的发射任务也是因为高空风的影响而将原本定于2020年12月20日的“首秀”推迟到了2020年12月22日。

长征八号发射的岗位人员进行高空气象加密探测。

文昌航天发射场发射工位的避雷塔

火箭自身条件

在各种外部条件都满足的情况下，火箭的自身条件同样非常重要，作为搭载航天器的运载火箭，如果自身指标不满足发射条件，再完美的时间选择和天气条件也不能使发射顺利进行。火箭在出厂前就要做各种检查，到了发射场，还要对其再次确认状态，使火箭符合发射条件。另外，有时候为了适应火箭的性能，时机合适的发射窗口也是不能用的。

长征八号

除此之外，发射窗口的选择还有很多限制条件，包括返回型航天器的要求、交会和拦截等的特定要求、对航天器姿态的精确测量等等，火箭的“择机发射”就是要考虑各方面的要求进行选择，经过综合平衡后，选择最适合的火箭发射时间。

本文参考：

http://www.cnsa.gov.cn/n6758968/n6758973/c6771763/content.html

陈新民，周天帅，朱冬阁，等. 有限推力变轨的月球探测器发射轨道设计[J]. 深空探测学报， 2016，3（3）：253-261.

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