科學(xué)咖啡館

“高空風(fēng)”搗亂 長征八號首飛推遲兩天

12月22日，長征八號運載火箭在中國文昌航天發(fā)射場首飛成功，為新一代運載火箭“十三五”期間的發(fā)射任務(wù)畫上了圓滿句號。

鮮為人知的是，長征八號火箭原定于12月20日發(fā)射，如今“首秀”推到22日，比原本的計劃晚了兩天。這背后究竟是何緣故？記者就此采訪了中國航天科技集團(tuán)一院長征八號火箭研制專家。

傳說中的“高空風(fēng)”

中國航天科技集團(tuán)一院長征八號火箭副總設(shè)計師吳義田說，導(dǎo)致發(fā)射推遲的原因，是“高空風(fēng)”在搗亂。

據(jù)他介紹，火箭發(fā)射是一項高風(fēng)險的復(fù)雜系統(tǒng)工程，極容易受到各種因素影響。包括雷電、溫度、風(fēng)等天氣因素，都會影響火箭發(fā)射，其中影響最為突出的，就屬高空風(fēng)了。

據(jù)中國航天科技集團(tuán)一院長征八號火箭控制系統(tǒng)主任設(shè)計師潘豪介紹，高空風(fēng)一般距離地面4到20公里。火箭穿越大風(fēng)區(qū)時，會遭受強(qiáng)烈的氣流沖擊。

許多人會有這樣的經(jīng)歷：騎自行車時，如果側(cè)面突然吹來一陣大風(fēng)，會被吹得歪歪倒倒。而在高空，這種橫向側(cè)風(fēng)比陸地上的強(qiáng)烈得多，不僅會影響火箭的飛行姿態(tài)，如果風(fēng)速過大，還可能導(dǎo)致箭體彎曲變形，甚至解體。可以說，高空風(fēng)就是火箭進(jìn)入太空前必須闖過的“關(guān)卡”。

潘豪告訴記者，為了讓火箭能夠順利“闖關(guān)”，發(fā)射前觀測、預(yù)報高空風(fēng)，必要時調(diào)整發(fā)射時間，避開惡劣風(fēng)況，成了火箭發(fā)射前必不可少的環(huán)節(jié)。

2019年，美國SpaceX公司的獵鷹重型火箭實施首次商業(yè)發(fā)射前曾兩度推遲，正是因為高空風(fēng)等氣象原因。

這一次，長征八號火箭發(fā)射也差點與高空風(fēng)“狹路相逢”。

吳義田向記者透露：發(fā)射場指揮部一開始瞄準(zhǔn)的發(fā)射時間，比實際發(fā)射時間要早。

12月20日凌晨0時36分，長征八號運載火箭按流程開始煤油加注，一切程序都在按部就班進(jìn)行。

中國文昌航天發(fā)射場測發(fā)大廳內(nèi)，火箭各分系統(tǒng)和衛(wèi)星試驗隊人員都在各自工位上監(jiān)視技術(shù)數(shù)據(jù)，01指揮員的調(diào)度指揮口令也在不斷響起。

同樣位于測發(fā)大樓內(nèi)的氣象會商間，發(fā)射場氣象系統(tǒng)負(fù)責(zé)人黨建濤和中國航科集團(tuán)氣象工作人員則正在等待高空氣象探測數(shù)據(jù)。

就在1個小時前，他們從觀測到的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，受近日南海熱帶低壓和冷空氣影響，高空風(fēng)風(fēng)速明顯加大，如果到了發(fā)射窗口，風(fēng)速過大，將不滿足最低發(fā)射條件。

“首先要排除是不是氣象探測設(shè)備出現(xiàn)故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常，然后再進(jìn)行一次計算。”

“熱帶低壓云系很強(qiáng)大，在高空中容易輻散，會直接導(dǎo)致發(fā)射場高空風(fēng)向突變，不可控因素很多，還請上級慎重。”

吳義田說，最終，根據(jù)氣象商會的結(jié)果，發(fā)射場指揮部決定將發(fā)射時間推遲了兩天。

如何應(yīng)對“高空風(fēng)”搗亂？

據(jù)吳義田介紹，除了被動避讓，他所在的中國運載火箭技術(shù)研究院近年來開展了相關(guān)研究，采取了一系列措施降低高空風(fēng)對火箭發(fā)射的影響，包括統(tǒng)計近10年發(fā)射場上空風(fēng)速、風(fēng)向等情況，在火箭設(shè)計階段，根據(jù)最大概率會出現(xiàn)的風(fēng)向和風(fēng)速開展針對性設(shè)計，等等。

此外，每次發(fā)射前，科研人員還會根據(jù)發(fā)射前的氣象測量預(yù)報，通過設(shè)計火箭飛行程序角進(jìn)行高空風(fēng)補(bǔ)償。

“好比人在風(fēng)中打傘，可以將傘對準(zhǔn)風(fēng)吹來的方向，抵消橫向的風(fēng)力。”吳義田說，高空風(fēng)補(bǔ)償?shù)姆椒ú捎孟嗤恚谀軌驅(qū)崿F(xiàn)的前提下，讓火箭迎風(fēng)飛行，使火箭縱軸與風(fēng)向平行。

不過他同時表示，這種方法只能在火箭達(dá)到一定速度后使用，而且動作不能太過突然。

在長征八號火箭研制中，科研人員還采用了一些新方法，如自主抗干擾控制法。潘豪說，這種方法讓火箭在飛行過程中，能夠一邊辨識一邊補(bǔ)償干擾。換言之，火箭在感受到風(fēng)吹過來后，可以產(chǎn)生相應(yīng)的動作來減弱風(fēng)的干擾。

這些方法說起來簡單，要做好卻不容易，其中一個關(guān)鍵在于把握分寸。潘豪說，此次長征八號火箭首飛的發(fā)射情況特殊，高空風(fēng)速過大，為了更加穩(wěn)妥完成發(fā)射任務(wù)，科研人員最終選擇將發(fā)射時間從12月20日調(diào)整至12月22日。

吳義田告訴記者，如果在火箭設(shè)計階段過分考慮風(fēng)場，會導(dǎo)致設(shè)計偏保守，火箭結(jié)構(gòu)過重；反之則會導(dǎo)致設(shè)計偏冒進(jìn)，火箭結(jié)構(gòu)輕，對高空風(fēng)的抵抗能力不夠。如何更好地平衡兩者之間的關(guān)系，還需要進(jìn)一步探索。