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神15发射: 为何有两个禁航区? 倾角变化: 神15飞船或采用新对接程序

 星辰大海种花家 2022-11-25 发表于浙江

神舟十五号飞船已抵达酒泉发射中心的发射台,将于11月29日发射升空,目前已经公布了神舟十五相关的航空警告区,但让大家比较好奇的是航空警告区有两个,一个区域大家应该都看得明白,是发射路线下方的空域,从酒泉一路向东南延伸到山东出海。

但另一块区域却远在华西南一带,与发射区域相隔超过800千米,怎么一次发射会出现两个航空警告区,有人表示这是一级火箭和二级火箭坠落区域,还有人表示这是紧急着陆区,究竟哪个说法才是对的?

神舟发射: 为何有两个航空警告区?

我国目前有四个航天发射场,分别是酒泉、西昌、太原和文昌发射场,一般酒泉发射的大都是载人系列飞船,西昌主要承担地球同步轨道卫星的发射任务,太原则是太阳同步轨道和资源、气象卫星为主,文昌则是大型地球空间站为主的相关发射,未来的深空探测也将在这里发射。

酒泉卫星发射场:警告区为什么朝向西南呈一条带状?

答案其实很简单,火箭一路发射,会一路丢东西,比如先丢掉助推器,再丢掉一级火箭、二级火箭,三级火箭,星箭分离,飞船入轨,在这个过程中,助推器和一级火箭是会落回地球的,而二级火箭则会连通飞船一起入轨。以神舟十四发射时为例,其基本过程如下:

  • 1、发射:10点44分07秒

  • 2、逃逸塔分离:10点46分07秒(120秒后);

  • 3、助推器分离:10点46分39秒(152秒后);

  • 4、一二级分离:10点46分43秒(156秒后);

  • 5、抛整流罩:10点47分37秒(210秒后);

  • 6、二级关机:10点53分39秒(582秒后);

  • 7、船箭分离:10点53分42秒(585秒后);

除了二级会随着飞船进入预定(临时)轨道以外,其他火箭部件会掉落在从发射场酒泉开始沿着发射路线最远大约800千米的范围内,比如助推器与一级火箭残骸会掉落在距离发射场约650公里远的地方,整流罩则将飘落在880公里远处。

酒泉卫星发射中心位于西北内陆,一路向东南都是人口密集区,不过在最开始的800千米范围内并没有发布大型人口密集区域,这些部件会掉落在内蒙古巴丹吉林沙漠到山西榆林地区的4个落点。

由于发射神舟系列飞船的火箭是CZ-2F(长征2号F)的燃料是偏二甲肼与四氧化二氮,其中的偏二甲肼有剧毒,并且还易燃易爆,因此发现坠落的助推器和一级火箭时不要轻易搬动,避免发生危险,另外逃逸塔则是固体火箭,还有整流罩没只是一个外壳没有太大的危险性,但这些均会被回收。

为何发射方向朝向东南,不能朝向西南吗?

火箭发射大都是向东发射或者东南方,原因也很好理解,因为地球是自西向东自转的,向东发射可以免费获得地球自转的加速,火箭可以节省部分燃料,而向南或者向西南发射时则是卫星轨道的需要,比如发射极轨卫星或者太阳同步卫星,还有逆向轨道的(太阳同步轨道就有一些逆向)卫星等。

天宫空间站的轨道的近地点高度: 387 km,远地点高度: 395 km,轨道倾角为41.4780°,酒泉卫星发射场纬度为40.98°,只能向东南发射绕地心运动的轨道才能更接近天宫空间站的轨道以便准备对接,因此向东南方向发射也就成了必然选择了。

警告区为什么会出现两个:第二个到底是干什么用的?

上文已经说明了长条带状区域是发射时火箭助推器、一级火箭等坠落等区域,既然这些火箭部件都已经坠落到了酒泉东南一带,为何还会在南方再开辟一块航空警告区呢,这又是干啥用的?

这块区域是作为紧急着陆区使用的,火箭发射么,总会有考虑各种预案,而紧急着陆区当然也在考虑范围之内,那么问题来了,既然是紧急着陆,为什么要考虑安排到距离发射轨迹星下点那么远的地方呢?

紧急着陆:至少有两种方式

载人飞船和货运飞船不仅在设计安全上差别非常大,在发射过程中的程序操作也不一样,不如在天舟货运飞船中不存在什么逃逸火箭,但在神舟飞船发射时火箭顶部就必定会有一枚逃逸火箭,也有称为逃逸塔的,但两者基本是同一个意思。

发射时出险紧急着陆

逃逸火箭就是装在火箭顶部那个小火箭,共配备6台发动机,分别是1台逃逸主发动机、1台分离发动机和4台控制发动机,其作用时间是火箭点火前15分钟、起飞后120秒范围内,之后逃逸火箭抛弃。

航天员在飞船中就位后,发射塔架已经打开,火箭与外界通道封闭,此时火箭一旦发生燃料贮箱泄露或箭体起火甚至爆炸危险时逃逸火箭就会启动,将飞船如旱地拔葱一般送到高空再打开降落伞降落。

如果在起飞途中(120秒前)火箭发生故障或者爆炸,那么逃逸火箭会立即启动,此时火箭正在急剧加速,因此逃逸火箭必须带着飞船以更快的速度分离,而且为了在燃料耗尽后被火箭追上,飞船外部还有栅格舵在稠密大气的气动作用下改变轨迹至少远离1500米以上后再执行分离与开伞动作,为的就是确保安全。

CZ-2F火箭的逃逸塔和栅格舵从来没使用过,这不是浪费,而是CZ-2F的可靠!不过逃逸火箭可是非常有用的,联盟-10任务就是逃逸塔紧急逃生的一次著名的案例:

联盟号助推器分离瞬间

2018年10月11日14时40分(协调世界时(UTC)8时40分),联盟MS-10飞船从哈萨克斯坦拜科努尔航天发射场升空,由于助推器的一个连接球形关节变形没有正常分离,导致火箭出现严重故障,此时联盟号火箭已经到了距离地面50千米的高空。

逃逸火箭立即启动,带着飞船从50千米的高度上升到了90千米(还有火箭加速后的惯性), 并在火箭发射19分41秒后安全着陆,UTC时间8点55分,搜救小组出发,在距离火箭发射点距离402公里、哈萨克斯坦杰兹卡兹甘市以东约20公里处找到了载有两名宇航员的飞船。

入轨不成功或者意外紧急返回

上文已经说明了飞船发射过程中失败的紧急着陆方式,另外还有发射为入轨的紧急着陆方式,一般不会离发射场太远,如联盟-M10是在距离发射场402千米的位置着陆的。我国也在黄海设置了紧急着陆区。

另外还有一个则是入轨后状态不佳需要紧急返回,一般这个着陆区会设置一圈后星下点位于中国的区域,原因很简单,方便搜救,虽然现代飞船在地球任何位置都能安全返回,但有技术力量快速搜救一定是最佳选择。

那么如果在轨状态不佳需要紧急返回,一般就会安排在第一圈离轨落地,按返回的角度与轨迹要求,需要在1.2~1.3万千米外就开始减速离轨,也就是在大西洋中部时候就要减速,轨迹的末端就是第二圈的星下点。

神舟飞船大约一个半小时绕地球一圈,每圈的星下点相隔大约2500千米,华西南地区大约北纬30度左右,倾角42度左右,因此与发射轨迹相差了大约800多千米(倾角越大、纬度越高,星下点位置相距越近,假如是90°倾角,在北极点上,每圈每次星下点几乎都重叠)。

此时的紧急返回着陆与正常状态返回没有两样,只是着陆区不再是四子王旗,也不是东风着陆场,而是华西南地区的紧急着陆场。

倾角变化: 飞船或采用新对接程序

神舟15号与神舟14相比,发射轨迹向南调整了2°左右,与酒泉卫星发射中心的纬度对应起来看,这个调整直接在发射轨迹上与天宫空间站的42.5°更接近,因此坊间都怀疑,神舟十五可能会采用天舟五号货运飞船的快速对接模式。

天舟五号于11月12日10点03分12秒发射,10点14分船箭分离进入预定轨道,12时10分成功对接于天宫空间站天和核心舱后向端口,实现了两小时自主快速交会对接,快速对接的要求是更精确的入轨精度,这样才能在1~2圈的时间段内快速完成对接!

历史上也有过更快速的对接,1968年4月15日,前苏联的宇宙-213和头一天发射的宇宙-212在发射46分钟后就对接成功,这个速度创下了发射后对接的最快记录,并不是说不能再快,但更高精度的发射成本以及对接风险都很大,因此目前主流的都是发射后3~6小时左右完成。

我国此前基本都是6.5小时,也就是发射后大约4~5圈,联盟号大都是3小时,发射后2圈左右,2小时快速对接对于任务执行和风险控制都可以管控,未来我国采用2小时对接的可能性很大,并且央视军事在11月21日曾报道,此次载人任务的长征二号F遥十五火箭,比上一发遥十四火箭共有45项状态变化,使火箭入轨精度做到更高。

因此快速对接还是有可能的!不过也有专业人士表示,虽然有了更高精度,但就中国航天的习惯而言,一般都不太会在第一次就在载人飞船上用快速对接,当然这是为了安全考虑,此前天舟五号已经操作过一次,也不能算是第一次了,所以这个可能性仍然是存在的。

延伸阅读:航天员谁会上?

神舟十五号是载人飞船,据禁航区公布的时间来看是11月29日22:58-23:39之间发射,所以又到了猜航天员的时间,这次谁会上呢?微博航天大佬VONY7做了个各位航天员的执行任务时间间隔,作为各位选择航天员的参考:

上述任务中,未出任务的航天员按照加入航天员大队时间算,出任务中的计为0,各位可以猜猜看,到底哪三位航天员会登上天宫空间站,有兴趣的朋友可以留言,看看谁猜得准!

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