導讀：

阿爾忒彌斯 1 號原計劃于北京時間 2022 年 8 月 29 日發(fā)射升空，但 3 號發(fā)動機發(fā)生了故障導致發(fā)射被推遲。根據(jù)目前的最新消息，如果天氣良好，NASA 預計在當?shù)貢r間 ( ET ) 本周六 2:17pm – 4:17pm 這個發(fā)射窗口進行下一次的升空嘗試。那到底是什么決定了阿爾忒彌斯 1 號的發(fā)射窗口呢？譯者找到了這篇于 2021 年 11 月 1 日發(fā)表于天文新聞網(wǎng)站 NASASpaceFlight.com 的文章，希望可以為大家解惑。

注：譯者添改了內(nèi)文部分內(nèi)容來符合當下的情況。

要讓阿爾忒彌斯一號的首次登月發(fā)射順利進行，除了飛行硬件和地面系統(tǒng)必須到位，美國宇航局還必須將升空時間與運轉(zhuǎn)精密的天文鐘表進行同步。太空發(fā)射系統(tǒng) ( SLS ) 和獵戶座飛船 ( The Orion ) 共同屬于探索系統(tǒng)開發(fā)部門 ( ESD ) 之下，他們將共同合作，通過計算地球、月亮、偶爾甚至太陽的位置來確保本次合體任務的順利進行。

普遍來說，美國宇航局每天都有一次發(fā)射機會，在這之上會有一個 " 兩周跑兩周停 " 的規(guī)律。在發(fā)射期里，探索面系統(tǒng) ( EGS ) 、獵戶座飛船和太空發(fā)射系統(tǒng)的團隊們將有一個從幾分鐘到幾小時不等的發(fā)射窗口。

是什么條件限制了發(fā)射機會？

阿爾忒彌斯一號登月任務的規(guī)劃很早就開始了。前稱 Exploration Mission-1，這是探索系統(tǒng)開發(fā)部門里三個項目的第一次聯(lián)合試飛，旨在將無人的獵戶座飛船送上地月遠距離逆行軌道 ( DRO ) 。此任務后來被重新命名為阿爾忒彌斯 1 號（Artemis 1），太空發(fā)射系統(tǒng)、獵戶座飛船將首次從肯尼迪航天中心出發(fā)，在探索地面系統(tǒng)的輔助下一起升空。

太空發(fā)射系統(tǒng)會先把獵戶座船移動到距離月球表面約 100 公里的月球轉(zhuǎn)移軌道上，從那里開始獵戶座飛船會利用地月重力和短暫的噴射將自己移動到地月遠距離逆行軌道。這類軌道曾是奧巴馬政府期間提出的小行星重定向任務的有力候選者。

而在未來的登月任務中，獵戶座飛船及其航員有大概率會與 SpaceX 研發(fā)的 " 星艦 " 的變體以及 " 深空門戶 " 碰上面——兩者都在積極開發(fā)中。美國宇航局正活躍地計劃在近直線光暈軌道（NRHO）上部署其軌道地月基礎設施。

盡管地月遠距離逆行軌道是一個太空探索歷史中的老古董，但本次任務中它還是提供了首次單獨出任務的獵戶座飛船一個完美的環(huán)境進行數(shù)十個飛行測試目標和系統(tǒng)檢查。

Credit: NASA.

初期的深空門戶規(guī)劃。

要移動到地月遠距離逆行軌道有著其獨特的發(fā)射限制，阿爾忒彌斯 1 號的任務經(jīng)理，邁克 • 薩拉芬 ( Mike Sarafi ) 在 2021 年 9 月的一次訪談提道：" 有幾個少數(shù)的關鍵要素決定了當天是否會有一個發(fā)射機會出現(xiàn)。隨著你更詳細地規(guī)劃出本次的任務要求，更多的限制會逐漸浮現(xiàn)，比如說著陸月球或?qū)訒r的光線狀況，所以我在這里只會針對阿爾忒彌斯 1 號任務的發(fā)射條件進行討論，其中有一些可能會被適用于將來的其他任務，但更有可能它們有自己額外的一些限制條件。"

以阿爾忒彌斯 1 號來說，發(fā)射機會大約每兩周會重復一次，每次的發(fā)射期（Launch period，指包含有發(fā)射機會的那幾天，和 Launch window 發(fā)射窗口指能進行發(fā)射的幾分鐘到幾小時，不同。）為約 10 到 15 個連續(xù)的日子。接下來會有兩周完全沒有發(fā)射窗口，直到下一次發(fā)射期重新開始。

美國宇航局將發(fā)射期給予編號，并預計每次發(fā)射期之前舉行不同輪次的飛行準備情況審查。發(fā)射期 18（可簡寫成 LP18）為 2021/02/12 - 02/27（含前后），發(fā)射期 19 為 2021/03/12 – 03/27（含）。（譯者注：我們目前在發(fā)射期 25，2022/08/23 - 09/06。下一次發(fā)射期 26，2022/09/19 - 10/04）

邁克解釋說，有四個主要因素決定了在特定日子是否有可供阿爾忒彌斯 1 號使用的發(fā)射窗口。其中很重要的第一個限制是太空發(fā)射系統(tǒng)在第一階段開發(fā)的 Block 1 載具的性能。" 抵達地月轉(zhuǎn)移點對我們來說非常重要，而有一些日子的地月對齊狀況無法用于臨時低溫推進段 ( ICPS ) 或 Block 1 載具的發(fā)射。"

Credit: NASA.

（圖片說明：由美國宇航局探索部門的任務分析與綜合評估（MAIA）小組制作的阿爾忒彌斯 1 號任務可行性文件的摘錄。該摘錄通過信息自由法 ( FOIA ) 請求獲得，并在原文網(wǎng)站論壇上被分享。提供的文件修訂版是根據(jù) 2021 年 2 月的數(shù)據(jù)生成的，反映了美國東部時區(qū)的發(fā)射日期和時間。本圖并沒有新的對應版本流傳在網(wǎng)上。）

" 第二個限制是獵戶座飛船在任務的任何時候都不應處于陰影中超過 90 分鐘。電源由太陽能電池板供應，而電池的大小和熱系統(tǒng)都是按照可以從太陽獲取能源來設計的。"

在 10 - 15 天的發(fā)射期內(nèi)，可能會有一兩天被獵戶座飛船的 90 分鐘最大日食時間限制 " 截斷 "。" 有時你會遇到這種奇怪的季節(jié)性限制，在向月球移動的期間或返回期間因太陽位于地球后方而導致日食時間超過 90 分鐘。這種航天器視角的日食就會導致不時出現(xiàn)奇怪的一天無法發(fā)射。" 邁克解釋道。

第三個限制是獵戶座飛船必須在光照良好的條件下進行海面降落，方便飛船被回收。阿爾忒彌斯 1 號任務將是獵戶座飛船第一次從月球重返大氣層，因此回收飛船為獵戶座計劃高優(yōu)先級的測試目標。

" 對于這次無人飛行測試，我們希望可以在白晝落海，這就限制了落水時間必須在日落前至少半小時和日出后至少一小時之間，進而影響了我們的發(fā)射機會，" 邁克說。" 最后一個限制是初入大氣層的點 ( Entry interface ) 和海面降落目標區(qū)域 ( Splashdown target zone ) 之間的允許距離范圍。以‘重返進入 ( Skip re-entry，指如打水漂一般二次進入大氣層 ) ’來說，我們希望從初入大氣層到降落地點的距離在 2,500 到 4,000 海里（大約 4,630 到 7,408 公里）之間，理想目標是大約 2,800 海里（5,185 公里）。比這更長或更短，都超出了我們要求的測試標準，如果在大氣層中降落的距離太長，也會超出載具設計的承受范圍。"

" 因此，性能、日食、返程落地照明、從初入大氣層到降落地點的距離范圍，是決定阿爾忒彌斯 1 號發(fā)射窗口的四個主要因素。" 他總結(jié)道。

Credit: NASA HQ PHOTO on Flickr

（圖片說明：2022 年 8 月 27 日星期六攝于佛羅里達州的肯尼迪航天中心。閃電擊中發(fā)射臺 39B 的保護系統(tǒng)，避開了還在準備發(fā)射的太空發(fā)射系統(tǒng)和獵戶座飛船。原本 8 月 29 日的發(fā)射被延期到了 9 月 3 日，但當?shù)啬壳安环€(wěn)定的天氣為新的日期加上了一層不確定性。）

初期的太空發(fā)射系統(tǒng) Block 1 配置使用了臨時低溫推進段 ( ICPS ) ，這是一種從聯(lián)合發(fā)射同盟 ( ULA ) 的德爾塔 -4 運載火箭第二節(jié) ( DCSS ) 改進而來的階段。臨時低溫推進段是進入太空后的第二階段，發(fā)生在太空發(fā)射系統(tǒng)的五段固體火箭助推器和芯一級（Core Stage）之后。太空發(fā)射系統(tǒng)的助推器和芯一級將頂部帶有獵戶座飛船的臨時低溫推進段移動到一個不穩(wěn)定且高度橢圓的停泊軌道中，該軌道的近地點在地球大氣層內(nèi)，但卻有著異常高的遠地點。

對阿爾忒彌斯 1 號任務來說，太空發(fā)射系統(tǒng)的芯一級發(fā)動機目標為一個 30 x 1,806 千米的軌道。" 臨時低溫推進段不足以將獵戶座飛船重量的物體從近地停泊軌道移動到月球附近，所以芯一級會將臨時低溫推進段 / 獵戶座飛船‘注入’橢圓形的停泊軌道，" 一份美國宇航局關于太空發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射窗口的論文寫道。" 而橢圓停泊軌道的最高點起到‘調(diào)節(jié)器’的作用，讓芯一級的效能可以被轉(zhuǎn)移到臨時低溫推進段，并在需要的時候反向轉(zhuǎn)移。"

" 將來，等太空發(fā)射系統(tǒng)第二階段的 Block 1B 載具建造完成，上面會搭載更強勁的勘探上層段 ( Exploration Upper Stage , EUS ) 來代替臨時低溫推進段。這時，為了達到地月轉(zhuǎn)移點的一些限制就會消失，因為目前必須以‘拋射’的方式將臨時低溫推進段送到地月轉(zhuǎn)移點。" 邁克說道。將來搭載勘探上層段的太空發(fā)射系統(tǒng)將會先將飛船送到距地 185 千米的圓形停泊軌道。" 圓形停泊軌道使得太空發(fā)射系統(tǒng)可以在一個月的任何一天將飛船送向月球，" 前文提到的論文也寫道，" 這非常必要，因為將來任務會有其他的因素來限制發(fā)射可行性，如在月球附近和其它航天設施對接。"

還有其他因素可以影響發(fā)射系統(tǒng)的性能，如太空發(fā)射系統(tǒng)助推器中固體推進劑的整體溫度會受到不同季節(jié)當?shù)販囟鹊挠绊憽Ｎ挥诒卑肭虬l(fā)射場的助推器在夏季幾個月的較高環(huán)境溫度下具有更好的性能。

Credit: NASA.

（圖片說明：來自美國宇航局關于太空發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射窗口的論文內(nèi)圖，當時該任務仍被稱為 Exploration Mission-1，該圖顯示了因太空發(fā)射系統(tǒng) Block 1 配置而導致的發(fā)射周期限制之一。為臨時低溫推進段設計的高橢圓注入 / 停泊軌道對發(fā)射時間添加了限制。未來的太空發(fā)射系統(tǒng)版本使用了正在開發(fā)的勘探上層段，預計改使用圓形停泊軌道，從而增加地月轉(zhuǎn)移的機會。）

前文提到的阿爾忒彌斯 1 號任務尾端的白晝海上降落 / 回收要求，除了會限制發(fā)射日期之外，也會對任務長度產(chǎn)生影響。如果需要的話，獵戶座飛船可以延長其待在月球軌道的時間來確保返程降落在海中的時候有充足的陽光。

" 任務會切換于我們通常稱之為‘短期任務’的約 25、26、28 天，和‘長期任務’的 38-42 天兩種，" 邁克解釋道。" 在一個發(fā)射期內(nèi)，‘短期任務’和‘長期任務’會按照當日的情況所決定。這主要是因為三體問題和日月地相對位置的變化。"

地月遠距離逆行軌道的周期約為 12 天，這決定了獵戶座飛船在月球停留的時間長度，而任務總長將在四到六周之間。值得注意的是，上述兩種任務的持續(xù)時間都超過了飛船滿載四名船員的最長時間限制—— 21 天。獵戶座飛船的系統(tǒng)能夠在如本次阿爾忒彌斯 1 號的非載人任務中運行長達 210 天左右。

發(fā)射窗口當日

在選定了發(fā)射的 " 吉日 " 之后，可以稱之為 " 良辰 " 的發(fā)射窗口長度從幾分鐘到幾小時都有可能。" 性能限制選出了一些特殊日子，在這之上會有一個如鐘形曲線或正弦曲線的變化，" 邁克說道。" 在發(fā)射期一開始，發(fā)射窗口會因當下狀況有長有短，但隨著發(fā)射期一天天過去，發(fā)射窗口的時長會周期性變化。"

" 以我目前看到過的數(shù)據(jù)來說，滿足上面提到的條件的發(fā)射窗口的長度可以短到只有 6 分鐘，也可以長到大約 2 小時。" 理論上來說，在有些日子里發(fā)射窗口會長至超過兩個小時，但以阿爾忒彌斯 1 號任務來說，受限于其他操作和物流上的因素，可以嘗試發(fā)射的窗口被人為的限制在每天最多兩個小時。

" 出于多個不同因素的考慮，我們自我設立了這個最長嘗試時間，" 邁克說道。" 如果我們當天無法完成發(fā)射，我們必須卸油、惰性化燃料箱，然后重新配置載具并為下一次機會做好準備。"

Credit: NASA.

（圖片說明：關于太空發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射窗口的論文中，另一張圖顯示了發(fā)射窗口如何隨季節(jié)變化。阿爾忒彌斯 1 號任務沒有要求白天發(fā)射，而且肯尼迪航天中心在冬季的幾個月也很少有白天發(fā)射的機會。2022 年 2 月發(fā)射期的所有發(fā)射窗口都在晚上。）

太空發(fā)射系統(tǒng)的液體推進劑裝載（和卸載）是天體運轉(zhuǎn)以外主要的考量因素之一。" 因為這個載具是如此的巨大，我們使用了非常多的液態(tài)氫和液態(tài)氧，這導致裝載、卸載、重新配置都要花很長時間。我們?yōu)榱舜_保不會錯過下一次的機會，為每次嘗試設置了 120 分鐘的最長時限。"

太空發(fā)射系統(tǒng)芯一級在斯坦尼斯航天中心進行單次的初步試運轉(zhuǎn) ( Green Run ) 測試時，凸顯出了發(fā)射臺低溫燃料裝載能力的不足。加上臨時低溫推進段，兩者需要的液態(tài)氫接近了 39B 發(fā)射臺球形存儲槽的極限。

在 2018 年 11 月一次對 39B 發(fā)射臺的參觀訪問中，美國宇航局發(fā)射臺運營經(jīng)理肯 • 福特曾提到，太空發(fā)射系統(tǒng) Block 1 載具的兩個液態(tài)氫液態(tài)氧階段在發(fā)射當天可能使用多達 730,000 加侖（約 2763 立方米）的液態(tài)氫，這個數(shù)字包含了最長兩個小時的發(fā)射窗口等待時間。

肯同時提到了目前的液氫球形存儲槽最高可容納 850,000 加侖（約 3218 立方米）的液態(tài)氫，其中 765,000 加侖（約 2896 立方米）可用于支持發(fā)射。這只足夠支持單次的發(fā)射嘗試，如果隔天再嘗試一次就會不足。

當火箭載具里充滿液體推進劑時，一些液態(tài)氫會被用于發(fā)動機溫度調(diào)節(jié)，一些液態(tài)氫則會在燃料罐內(nèi)自然蒸發(fā)。如果在等待整整兩個小時的發(fā)射窗口后取消發(fā)射嘗試，并將燃料罐中的推進劑排回存儲槽，液態(tài)氫將比再次嘗試所需的量少超過 280,000 加侖（約 1060 立方米）。

Credit: Brady Kenniston for NASASpaceflight.

（圖片說明：太空發(fā)射系統(tǒng)芯一級 -1 于 2021 年在斯坦尼斯航天中心的 B-2 試驗臺上進行了點火測試。在初步試運轉(zhuǎn)期間，芯一級 -1 接受了多個級別的系統(tǒng)測試，最終在一次長達數(shù)分鐘的點火中圓滿結(jié)束測試。芯一級 -1 是阿爾忒彌斯 1 號任務的重要組成部分。）

如果發(fā)射嘗試在兩小時內(nèi)就被取消，損失的燃料就不會有這么多。盡管如此，阿爾忒彌斯 1 號任務在第一次取消后還是需要等 48 小時才能進行第二次嘗試。" 以阿爾忒彌斯 1 號來說，我們在 39B 發(fā)射臺目前只有舊的液氫和液氧球形存儲槽，所以基于資源限制和物流上的嚴格限制，我們在 7 天內(nèi)只有三次嘗試的機會。" 邁克說道。

" 這是因為假設你加滿燃料后，取消了發(fā)射并卸油后，在下一次 48 小時后的重試之前其實需要用油罐車補充一部分的氫。這時如果再次加滿然后再次被取消，需要預留 72 小時讓氫和氧在發(fā)射平臺上被重新補滿。按照這個補充計劃表我們在 7 天內(nèi)只有三次機會。"

美國宇航局目前已經(jīng)在使用油罐車從供應商那里補充他們球形存儲槽自然蒸發(fā)的燃料。除此以外，他們還和聯(lián)合發(fā)射同盟簽下合約，利用位于 37B 發(fā)射區(qū)的液氫儲存設備來加速 39B 發(fā)射平臺液氫球形存儲槽的補充。

探索地面系統(tǒng)最近在 39B 建造了第二個更大的球形存儲槽，但目前因軟件測試剛開始進行，所以尚未正式投入使用。預計在阿爾忒彌斯 2 號任務時將可以用于輔助發(fā)射。

邁克額外提道 " 我們限制窗口最長時間為兩小時還有預檢分析目的的考量，發(fā)射窗口越長，我們就要分析更多的狀況 "。獵戶座飛船、太空發(fā)射系統(tǒng)和探索系統(tǒng)開發(fā)部門的人員需共同進行飛行準備分析周期 ( FRAC ) ，以明確阿爾忒彌斯 1 號發(fā)射的所有參數(shù)和考慮因素。

與計算密集的建模式分析類似，飛行準備分析周期必須每分鐘確認和檢查發(fā)射相關的各種參數(shù)組合和發(fā)射軌跡。除了作為最終結(jié)果的發(fā)射周期和發(fā)射窗口，分析周期還會在整個航行過程中不停地計算軌跡。

Credit: NASA/Ben Smegelsky.

（圖片說明：圖中可以看到位于 39B 發(fā)射區(qū)的大型阿波羅時代液態(tài)氫球形存儲槽。太空發(fā)射系統(tǒng)的芯一級和臨時低溫推進段在一次發(fā)射測試中消耗的液態(tài)氫接近球體容量的極限。因此，美國宇航局將只能在 7 天內(nèi)對阿爾忒彌斯 1 號進行 3 次發(fā)射嘗試。在圖片右側(cè)地平線可以看到美國宇航局正在建造更大的第二個液態(tài)氫球形存儲槽，預計從阿爾忒彌斯 2 號開始投入使用。）

除了計算標稱軌跡和最佳軌跡以外，分析周期還會對包括飛行包線、性能邊界、載具在低層大氣中飛行時的開環(huán)引導、發(fā)動機燃燒控制器以及中止余量和能力等領域進行分析。在完整運行稱為 FRAC-0 的分析周期之后，分析小組正在運行 FRAC-1，該周期將一直持續(xù)到火箭準備好發(fā)射為止。

" 我們正在持續(xù)進行飛行準備分析周期，" 邁克說。" 由于需要提前期，我們實際上采取的是滾動分析周期。因此，就算我們公布發(fā)射計劃了，因為完成分析周期所需的時間很長，我們還是會在接下來的幾個月內(nèi)持續(xù)評估這個發(fā)射期是否合適。宏觀上來說，我們希望準備發(fā)射的硬件條件達到時，我們可以同時完成相對應的飛行準備分析周期。"

在當天適合的發(fā)射窗口遠長于兩小時的時候，理論上可以基于當下的天氣和其它因素選擇出 " 最佳的 " 兩小時，然而本次太空發(fā)射系統(tǒng)的第一次發(fā)射美國宇航局選擇不采取這種做法。

" 我們決定不特別為‘從 200 分鐘選出 120 分鐘’的情況制定一個選擇標準，這會大大增加飛行準備分析的人力成本，卻不會為任務帶來顯著的優(yōu)勢。" 邁克說道 " 我們內(nèi)部進行了良性的討論，來決定是否需要通過天氣或其他的一些決定因素去偏好特定的某 120 分鐘，但我們最終都同意不這么做。我們決定選擇 120 分鐘時，只考慮如何最佳化團隊表現(xiàn)來完美完成已經(jīng)制定好的目標。"

Credit: NASA.

（圖片說明：阿爾忒彌斯 1 號任務概覽。）

對于發(fā)射窗口很短的情況，邁克說他們并沒有設下過多的限制。" 任何可以發(fā)射的日子對我們來說都是好日子。如果條件許可，我們就會在當天進行嘗試。" 他說道。" 本次任務并沒有任何的瞬時窗口（指極短的發(fā)射窗口），但可能會有個位數(shù)分鐘或短短幾十分鐘長的發(fā)射窗口。只要遇到所有限制都滿足的第一次機會，我們就會抓住它，并嘗試發(fā)射。不管窗口時間長短，它都是個好日子。"

2022 年 2 月的發(fā)射期從 12 日大約 21 分鐘的發(fā)射窗口開始，并連續(xù)幾天增加到最長的 120 分鐘，然后在 27 日重新減少到約 42 分鐘。這個 2 月發(fā)射期是少數(shù)沒有因獵戶座飛船會離開日照或其他原因產(chǎn)生 " 截斷 " 的發(fā)射期之一。

在其他發(fā)射期，有些發(fā)射窗口短至僅僅一分鐘。為了優(yōu)化性能以最大化發(fā)射窗口持續(xù)時間的方法之一是改變插入初始停泊軌道的角度。升空后不久，火箭會將頭朝著特定的方位角 ( azimuth ) 向下旋轉(zhuǎn)，以插入特定軌道為目標調(diào)整自身角度。在火箭高度高于低層大氣層后，其引導程序?qū)⒉粩噢D(zhuǎn)向以保持在該航向和傾斜度上。

" 發(fā)射后的方位角取決于在發(fā)射窗口內(nèi)實際發(fā)射的時間點，" 邁克說。基于太空發(fā)射系統(tǒng) Block 1 載具的設計，提高性能只能調(diào)整軌道插入角度。前文提到的發(fā)射窗口論文解釋說：" 有幾種方法可以提高整體火箭性能，使地月轉(zhuǎn)移制動更接近目標位置，包括改變目標軌道遠地點、近地點、傾角或 RAAN（升交點赤經(jīng)）。遠地點需被用作從芯一級到臨時低溫推進段的性能交換，因此它無法被改變；近地點和軌道插入高度用于控制太平洋上芯一級的降落位置，也無法改變；而針對 RAAN 的轉(zhuǎn)向在性能方面可能代價過高，因此也無法使用。唯一剩下的就是調(diào)整停泊軌道插入角度。"

在發(fā)射窗口最長為 120 分鐘的一天中，發(fā)射方位角可能會發(fā)生顯著變化。" 在發(fā)射窗口初期，它可能是一個高方位角；在窗口中段，它是正東方位角；在窗口快結(jié)束的時候，它可能是一個更偏南的方位角。" 邁克說。" 方位角的變化范圍為 46 度，這實際上是一個相當廣泛的范圍。"

END