纪念杨利伟飞天十五周年——HYEarth发射窗口设计计算利器

发布日期：2018-10-15　　　　作者：南南 齐齐 强强

　　2003年10月15日上午9时0分，杨利伟乘坐神舟五号成功进入太空，我国成为了世界第三个能把人类送入太空并安全返回的伟大国度。
　　在过去的十五年间中国航天一共发射了从神舟五号到神舟十一号共7艘神舟系列飞船，还发射了天宫一号、天宫二号共两艘空间站，以及天舟一号货运飞船1艘。具体发射时间如下表所示：

航天器	发射时间
神舟五号	2003年10月15日09时00分00秒
神舟六号	2005年10月12日09时00分00秒
神舟七号	2008年09月25日21时10分00秒
天宫一号	2011年09月29日21时16分03秒
神舟八号/span>	2011年11月01日05时58分00秒
神舟九号	2012年06月16日18时37分00秒
神舟十号	2013年06月11日17时38分00秒
天宫二号	2016年09月15日22时04分09秒
神舟十一号	2016年10月17日07时36分31秒
天舟一号	2017年4月20日19时41分35秒

　　观察上表中各个航天器的发射时间，细心的朋友可能发现了，所有的发射时间都是在早晨或者是傍晚的时候，既不会在正午，也不会在午夜。这看上去是一个很有趣的现象。在这里我们引入一个概念：发射窗口。

什么是发射窗口？
　　发射窗口英文叫Launch window，是指运载火箭发射比较合适的一个时间范围，即允许运载火箭发射的时间范围。这个范围的大小也叫做发射窗口的宽度。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。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。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。明白了这个道理，人们就不会奇怪，航天器的发射有时在早晨、有时在傍晚、有时在白天、有时在夜里。

影响发射窗口的因素？
　　再回到上面神舟飞船、天宫和天舟的发射窗口，为什么集中在早晨和傍晚呢？这是因为发射窗口的设计需要满足地面观察的要求。 在进行运载器发射时，一般都选在黎明和傍晚来发射。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。另外航天器发射窗口还受到如下因素制约：
（1） 热控分系统对日照率、日照方位的要求
　　日照率是指飞行器在一圈内的日照时间与轨道周期的比，一般在0.5到1之间。日照方位指的是太阳相对航天器方位。这些参数直接影响到航天器上具体某个设备的温度。
（2） 飞行器供电系统的要求
　　这指的是太阳光矢量要和飞行器太阳帆板法线夹角小于一定数值，这样才能保证太阳帆板的正常发电，为飞行器提供足够的电源。
（3） 阳光抑制角的要求
　　飞行器上有许多光学成像设备和敏感器设备，这些设备在工作时，不能让太阳光直接射入，因此要考虑太阳光和这些设备法线的夹角约束。
（4） 空间环境的要求
　　需要避开使胶片失效的质子事件、避免太阳耀斑对无线电通信的干扰。还要避免空间碎片对火箭及飞行器的碰撞等。
（5） 气象要求
　　要求发射场地面和高空的切变风风速不能过大、无雷雨天气；被观测区域有较好的气象条件。
（6） 目标及追踪航天器的要求
　　设计确定神舟八号、九号、十号这样有交会对接任务的航天器发射窗口时，还要考虑目标航天器的轨道参数，以及考虑追踪航天器和目标航天器轨道共面、轨道倾角一致等参数的限制。

如何计算发射窗口？
　　HYEarth一体化设计仿真平台可以用来设计和计算发射窗口。

发射窗口的最终确定又分为两个阶段：
　　第一个阶段是设计仿真阶段，根据影响发射窗口的因素，利用HYEarth平台添加不同的约束条件，如光照，测控，天气，轨道等，分析计算出期望发射日期段内符合每天要求的发射窗口时间段，如下图所示。

　　第二个阶段，在发射前一天，根据气象状况以及太空中飞行器及碎片的实时在轨情况，采用更新的空间目标(含碎片)的轨道根数进行碰撞计算，满足避免碰撞最小距离的要求。目前太空中5cm以上的目标数量多达40000多个，HYEarth可以对空间飞行器及碎片轨道进行更新计算，给出符合碰撞安全距离的发射窗口。

已往成就
　　自2003年起太空网一直致力于为中国航天事业做自己力所能及的贡献，为每次载人航天发射任务的发射窗口进行分析计算与符合。特别在2003年神舟五号发射任务时，在计算条件落后、碎片数据缺乏、时间紧迫的情况下，我们受中国空间技术研究院的委托，对最后发射时刻进行遴选工作。确定了2003年10月15日9时0分为最终发射时刻，保障了中国首次载人航天任务的圆满成功。

上图为太空网技术人员圆满完成神舟五号飞控任务后获得的纪念臂章。

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