航天员半夜赶路!神舟十三号为什么选择凌晨发射,早晨到达?

神舟十三号凌晨0点23分发射,圆满成功。很多大朋友与小朋友熬夜观看发射,有些人一直坚持到了早上6时56分,飞船到家成功对接后才入睡。中国自古讲究“日出而作,日作而息”,凌晨是人最困倦的时候,为何神13破天荒地选择在凌晨0点23分进行发射,而且精确到了“分”?

(与月同框)

实际上,并非神舟13号选择这个时间,而是神13只能在这个时间发射,否则就会错过飞向空间站的路。

都是夜猫子

我国的航天人员都是夜猫子,在我国航天史上,载人航天凌晨发射,神舟十三号是首次,但卫星、探测器经常在凌晨发射。例如:给我们带回来最年轻月球土壤的嫦娥五号就是凌晨4点半发射的。

嫦娥五号发射时,曾有一位网友表示:

嫦娥奔月肯定要选在半夜凌晨,月亮正高的时候,大白天发射,你上哪找月亮去。

这似乎听着挺有道理,半夜瞄准月亮,“嗖”一下发射上去,但这显然不是正确答案。根据不同航天器的任务设计或用途,它们的运行轨道高度是不一样的。此外,还要考虑经济、时间、天气、技术限制等因素,所以航天器都存在特定的发射窗口。例如:火星探测器的发射窗口为26个月,如果这次因为某些原因错过了,再想发射就要等26个月。

(地球到火星轨道)

一般情况下,大多数航天器也会选择傍晚或凌晨进行发射。这两个时段太阳处于地平线附近,火箭升到一定高度就能接触到阳光,强烈的箭体反射光会突然让它在原本暗淡的天空背景中,如同一颗璀璨的明星脱颖而出,便于地面光学设备追踪轨迹。

此外,凌晨发射还有一个优势,可以保证到达太空的卫星处于最好的状态,指的是卫星能在第一时间见到太阳,意味着太阳帆板展开后可以第一时间进行充电,“有电了就有了安全感”。

径向交会对接难度很大

神舟十三号的任务相对于探测器或卫星,有更明确的目的地——空间站,而且要进行“径向交会对接”。这需要神舟13号与空间站呈90度进行“T”字型对接,对接时需要时刻瞄准天和号核心舱下方,仅有“80厘米”的接口,这无异于在太空中进行穿针引线。我们用之前神舟12号的对接方式来进行比较。

(神舟12号对接空间站)

神舟12号的对接就像是操场上有一个圆形跑道,一个人以7.68km/s的速度在前面跑着(空间站轨道运行速度),后面另一个人也在同一跑道上以稍微高于7.68km/s的速度缓慢追着它,直至两人接触完成对接,像是一个“追及问题”。

(神舟13号径向交会对接)

神舟13号的对接并非同一赛道上进行,如果说空间站在第5赛道以7.68km/s的速度绕着圆形操场进行圆周运动,神舟13号则是在第1赛道以不同的速度奔着跑,飞船要保证始终与第5道选手一直处于同一水平线上,这样才能时刻瞄准对接接口,同时要逐渐改变速度以及调整姿态,从而横跨2、3、4赛道,与空间站进行对接。这一系列动作过程中都需要遵守“轨道运动定律”,由于技术太过复杂,因此之前没有飞船敢在太空进行尝试,神舟13号属首例。

为确保对接成功,在凌晨发射

上面提及的“T字型”对接以及赛道的例子在“二维平面”背景下描述的。然而,在太空进行交会对接是两个航天器在三维空间中完成的。但真正在三维空间中,随意进行变轨与另一个航天器进行相遇且对接,这种技术地球人尚未掌握。

(沿切线的下道口与直角弯下道口对比)

大家自行脑补一下,两个轨道平面相互垂直的极端的例子:一个绕着赤道飞,一个绕着南北极飞,它俩如果想要同速同向完成对接,意味着航天器要在太空中拐直角弯。为此,在火箭发射时就要尽可能地将“三维”化简为“二维”。

(八大行星环绕太阳的轨道近似于“共面”,冥王星则不是)

空间站在早已在太空中遨游,其轨道平面是固定的。如果飞船升空后也处于该平面,那么一切问题就简单多了。让神舟十三号主动与空间站处于同一轨道平面,称之为“共面”,在这个面上的所有轨道都称为“共面轨道”,例如:八大行星的轨道就近似于共面。

由于地球在不停地自转,因此火箭需要在地球自转过程中,找到与空间站轨道平面共面的时间节点进行发射才能完成共面,这就是神舟十三号的发射窗口。地球表面上一个点,与斜切(倾角42~43度)地球的空间站轨道平面出现交集,一天之中只有两次。

此外,还要考量能耗、天气、空间站运行位置等一系列因素,选出最佳发射状态、最佳路线以及最佳对接状态,这么筛选下来每天的两次交集大部分都不适合。这次发射时间定于16日,有一部分原因可能就是因为之前冷空气造成的暴雨下个不停。而10月16日的时间窗口只有凌晨0点23分,意味着如果选择在16日进行发射就只能在凌晨0点23分发射,否则只能继续向后推。