是什么决定了阿尔忒弥斯1号发射的“良辰吉日”？

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原文链接：https://www.nasaspaceflight.com/2021/11/artemis-1-launch-periods/

导读：
阿尔忒弥斯1号原计划于北京时间2022年8月29日发射升空，但3号发动机发生了故障导致发射被推迟。根据目前的最新消息，如果天气良好，NASA预计在当地时间(ET)本周六 2:17pm – 4:17pm 这个发射窗口进行下一次的升空尝试。那到底是什么决定了阿尔忒弥斯1号的发射窗口呢？译者找到了这篇于2021年11月1日发表于天文新闻网站NASASpaceFlight.com的文章，希望可以为大家解惑。
注：译者添改了内文部分内容来符合当下的情况。
要让阿尔忒弥斯一号的首次登月发射顺利进行，除了飞行硬件和地面系统必须到位，美国宇航局还必须将升空时间与运转精密的天文钟表进行同步。太空发射系统(SLS)和猎户座飞船(The Orion)共同属于探索系统开发部门(ESD)之下，他们将共同合作，通过计算地球、月亮、偶尔甚至太阳的位置来确保本次合体任务的顺利进行。

普遍来说，美国宇航局每天都有一次发射机会，在这之上会有一个“两周跑两周停”的规律。在发射期里，探索面系统 (EGS)、猎户座飞船和太空发射系统的团队们将有一个从几分钟到几小时不等的发射窗口。
是什么条件限制了发射机会？

阿尔忒弥斯一号登月任务的规划很早就开始了。前称 Exploration Mission-1，这是探索系统开发部门里三个项目的第一次联合试飞，旨在将无人的猎户座飞船送上地月远距离逆行轨道 (DRO) 。此任务后来被重新命名为阿尔忒弥斯1号（Artemis 1），太空发射系统、猎户座飞船将首次从肯尼迪航天中心出发，在探索地面系统的辅助下一起升空。

太空发射系统会先把猎户座船移动到距离月球表面约100 公里的月球转移轨道上，从那里开始猎户座飞船会利用地月重力和短暂的喷射将自己移动到地月远距离逆行轨道。这类轨道曾是奥巴马政府期间提出的小行星重定向任务的有力候选者。
而在未来的登月任务中，猎户座飞船及其航员有大概率会与 SpaceX研发的“星舰”的变体以及“深空门户”碰上面——两者都在积极开发中。美国宇航局正活跃地计划在近直线光晕轨道（NRHO）上部署其轨道地月基础设施。
尽管地月远距离逆行轨道是一个太空探索历史中的老古董，但本次任务中它还是提供了首次单独出任务的猎户座飞船一个完美的环境进行数十个飞行测试目标和系统检查。

Credit: NASA.
初期的深空门户规划。
要移动到地月远距离逆行轨道有着其独特的发射限制，阿尔忒弥斯1号的任务经理，迈克·萨拉芬(Mike Sarafi)在2021年9月的一次访谈提道：“有几个少数的关键要素决定了当天是否会有一个发射机会出现。随着你更详细地规划出本次的任务要求，更多的限制会逐渐浮现，比如说着陆月球或对接时的光线状况，所以我在这里只会针对阿尔忒弥斯1号任务的发射条件进行讨论，其中有一些可能会被适用于将来的其他任务，但更有可能它们有自己额外的一些限制条件。”

以阿尔忒弥斯1号来说，发射机会大约每两周会重复一次，每次的发射期（Launch period，指包含有发射机会的那几天，和Launch window发射窗口指能进行发射的几分钟到几小时，不同。）为约10到15个连续的日子。接下来会有两周完全没有发射窗口，直到下一次发射期重新开始。
美国宇航局将发射期给予编号，并预计每次发射期之前举行不同轮次的飞行准备情况审查。发射期18（可简写成LP18）为2021/02/12 - 02/27（含前后），发射期19为2021/03/12 – 03/27（含）。（译者注：我们目前在发射期25，2022/08/23 - 09/06。下一次发射期26，2022/09/19 - 10/04）
迈克解释说，有四个主要因素决定了在特定日子是否有可供阿尔忒弥斯1号使用的发射窗口。其中很重要的第一个限制是太空发射系统在第一阶段开发的Block 1载具的性能。“抵达地月转移点对我们来说非常重要，而有一些日子的地月对齐状况无法用于临时低温推进段(ICPS)或Block 1载具的发射。”

Credit: NASA.
（图片说明：由美国宇航局探索部门的任务分析与综合评估（MAIA）小组制作的阿尔忒弥斯1号任务可行性文件的摘录。该摘录通过信息自由法(FOIA)请求获得，并在原文网站论坛上被分享。提供的文件修订版是根据 2021 年 2 月的数据生成的，反映了美国东部时区的发射日期和时间。本图并没有新的对应版本流传在网上。）
“第二个限制是猎户座飞船在任务的任何时候都不应处于阴影中超过90分钟。电源由太阳能电池板供应，而电池的大小和热系统都是按照可以从太阳获取能源来设计的。”

在10 - 15天的发射期内，可能会有一两天被猎户座飞船的90分钟最大日食时间限制“截断”。“有时你会遇到这种奇怪的季节性限制，在向月球移动的期间或返回期间因太阳位于地球后方而导致日食时间超过90分钟。这种航天器视角的日食就会导致不时出现奇怪的一天无法发射。”迈克解释道。
第三个限制是猎户座飞船必须在光照良好的条件下进行海面降落，方便飞船被回收。阿尔忒弥斯1号任务将是猎户座飞船第一次从月球重返大气层，因此回收飞船为猎户座计划高优先级的测试目标。
“对于这次无人飞行测试，我们希望可以在白昼落海，这就限制了落水时间必须在日落前至少半小时和日出后至少一小时之间，进而影响了我们的发射机会，”迈克说。“最后一个限制是初入大气层的点(Entry interface)和海面降落目标区域(Splashdown target zone)之间的允许距离范围。以‘重返进入(Skip re-entry，指如打水漂一般二次进入大气层)’来说，我们希望从初入大气层到降落地点的距离在2,500到4,000海里（大约4,630到7,408公里）之间，理想目标是大约2,800海里（5,185公里）。比这更长或更短，都超出了我们要求的测试标准，如果在大气层中降落的距离太长，也会超出载具设计的承受范围。”
“因此，性能、日食、返程落地照明、从初入大气层到降落地点的距离范围，是决定阿尔忒弥斯1号发射窗口的四个主要因素。”他总结道。

Credit: NASA HQ PHOTO on Flickr
（图片说明：2022年8月27日星期六摄于佛罗里达州的肯尼迪航天中心。闪电击中发射台39B的保护系统，避开了还在准备发射的太空发射系统和猎户座飞船。原本8月29日的发射被延期到了9月3日，但当地目前不稳定的天气为新的日期加上了一层不确定性。）
初期的太空发射系统Block 1配置使用了临时低温推进段(ICPS)，这是一种从联合发射同盟(ULA)的德尔塔-4运载火箭第二节(DCSS)改进而来的阶段。临时低温推进段是进入太空后的第二阶段，发生在太空发射系统的五段固体火箭助推器和芯一级（Core Stage）之后。太空发射系统的助推器和芯一级将顶部带有猎户座飞船的临时低温推进段移动到一个不稳定且高度椭圆的停泊轨道中，该轨道的近地点在地球大气层内，但却有着异常高的远地点。

对阿尔忒弥斯1号任务来说，太空发射系统的芯一级发动机目标为一个30 x 1,806千米的轨道。“临时低温推进段不足以将猎户座飞船重量的物体从近地停泊轨道移动到月球附近，所以芯一级会将临时低温推进段/猎户座飞船‘注入’椭圆形的停泊轨道，”一份美国宇航局关于太空发射系统发射窗口的论文写道。“而椭圆停泊轨道的最高点起到‘调节器’的作用，让芯一级的效能可以被转移到临时低温推进段，并在需要的时候反向转移。”
“将来，等太空发射系统第二阶段的Block 1B载具建造完成，上面会搭载更强劲的勘探上层段(Exploration Upper Stage , EUS)来代替临时低温推进段。这时，为了达到地月转移点的一些限制就会消失，因为目前必须以‘抛射’的方式将临时低温推进段送到地月转移点。”迈克说道。将来搭载勘探上层段的太空发射系统将会先将飞船送到距地185千米的圆形停泊轨道。“圆形停泊轨道使得太空发射系统可以在一个月的任何一天将飞船送向月球，”前文提到的论文也写道，“这非常必要，因为将来任务会有其他的因素来限制发射可行性，如在月球附近和其它航天设施对接。”
还有其他因素可以影响发射系统的性能，如太空发射系统助推器中固体推进剂的整体温度会受到不同季节当地温度的影响。位于北半球发射场的助推器在夏季几个月的较高环境温度下具有更好的性能。

Credit: NASA.
（图片说明：来自美国宇航局关于太空发射系统发射窗口的论文内图，当时该任务仍被称为Exploration Mission-1，该图显示了因太空发射系统Block 1配置而导致的发射周期限制之一。为临时低温推进段设计的高椭圆注入/停泊轨道对发射时间添加了限制。未来的太空发射系统版本使用了正在开发的勘探上层段，预计改使用圆形停泊轨道，从而增加地月转移的机会。）
前文提到的阿尔忒弥斯1号任务尾端的白昼海上降落/回收要求，除了会限制发射日期之外，也会对任务长度产生影响。如果需要的话，猎户座飞船可以延长其待在月球轨道的时间来确保返程降落在海中的时候有充足的阳光。

“任务会切换于我们通常称之为‘短期任务’的约25、26、28天，和‘长期任务’的38-42天两种，”迈克解释道。“在一个发射期内，‘短期任务’和‘长期任务’会按照当日的情况所决定。这主要是因为三体问题和日月地相对位置的变化。”
地月远距离逆行轨道的周期约为12天，这决定了猎户座飞船在月球停留的时间长度，而任务总长将在四到六周之间。值得注意的是，上述两种任务的持续时间都超过了飞船满载四名船员的最长时间限制——21天。猎户座飞船的系统能够在如本次阿尔忒弥斯1号的非载人任务中运行长达 210 天左右。
发射窗口当日

在选定了发射的“吉日”之后，可以称之为“良辰”的发射窗口长度从几分钟到几小时都有可能。“性能限制选出了一些特殊日子，在这之上会有一个如钟形曲线或正弦曲线的变化，”迈克说道。“在发射期一开始，发射窗口会因当下状况有长有短，但随着发射期一天天过去，发射窗口的时长会周期性变化。”

“以我目前看到过的数据来说，满足上面提到的条件的发射窗口的长度可以短到只有6分钟，也可以长到大约2小时。”理论上来说，在有些日子里发射窗口会长至超过两个小时，但以阿尔忒弥斯1号任务来说，受限于其他操作和物流上的因素，可以尝试发射的窗口被人为的限制在每天最多两个小时。
“出于多个不同因素的考虑，我们自我设立了这个最长尝试时间，”迈克说道。“如果我们当天无法完成发射，我们必须卸油、惰性化燃料箱，然后重新配置载具并为下一次机会做好准备。”

Credit: NASA.
（图片说明：关于太空发射系统发射窗口的论文中，另一张图显示了发射窗口如何随季节变化。阿尔忒弥斯1号任务没有要求白天发射，而且肯尼迪航天中心在冬季的几个月也很少有白天发射的机会。2022年2月发射期的所有发射窗口都在晚上。）
太空发射系统的液体推进剂装载（和卸载）是天体运转以外主要的考量因素之一。“因为这个载具是如此的巨大，我们使用了非常多的液态氢和液态氧，这导致装载、卸载、重新配置都要花很长时间。我们为了确保不会错过下一次的机会，为每次尝试设置了120分钟的最长时限。”

太空发射系统芯一级在斯坦尼斯航天中心进行单次的初步试运转(Green Run)测试时，凸显出了发射台低温燃料装载能力的不足。加上临时低温推进段，两者需要的液态氢接近了39B发射台球形存储槽的极限。
在2018年11月一次对39B发射台的参观访问中，美国宇航局发射台运营经理肯·福特曾提到，太空发射系统Block 1载具的两个液态氢液态氧阶段在发射当天可能使用多达730,000加仑（约2763立方米）的液态氢，这个数字包含了最长两个小时的发射窗口等待时间。
肯同时提到了目前的液氢球形存储槽最高可容纳850,000加仑（约3218立方米）的液态氢，其中765,000加仑（约2896立方米）可用于支持发射。这只足够支持单次的发射尝试，如果隔天再尝试一次就会不足。
当火箭载具里充满液体推进剂时，一些液态氢会被用于发动机温度调节，一些液态氢则会在燃料罐内自然蒸发。如果在等待整整两个小时的发射窗口后取消发射尝试，并将燃料罐中的推进剂排回存储槽，液态氢将比再次尝试所需的量少超过280,000加仑（约1060立方米）。

Credit: Brady Kenniston for NASASpaceflight.
（图片说明：太空发射系统芯一级-1于2021年在斯坦尼斯航天中心的B-2试验台上进行了点火测试。在初步试运转期间，芯一级-1接受了多个级别的系统测试，最终在一次长达数分钟的点火中圆满结束测试。芯一级-1是阿尔忒弥斯1号任务的重要组成部分。）
如果发射尝试在两小时内就被取消，损失的燃料就不会有这么多。尽管如此，阿尔忒弥斯1号任务在第一次取消后还是需要等48小时才能进行第二次尝试。“以阿尔忒弥斯1号来说，我们在39B发射台目前只有旧的液氢和液氧球形存储槽，所以基于资源限制和物流上的严格限制，我们在7天内只有三次尝试的机会。”迈克说道。

“这是因为假设你加满燃料后，取消了发射并卸油后，在下一次48小时后的重试之前其实需要用油罐车补充一部分的氢。这时如果再次加满然后再次被取消，需要预留72小时让氢和氧在发射平台上被重新补满。按照这个补充计划表我们在7天内只有三次机会。”
美国宇航局目前已经在使用油罐车从供应商那里补充他们球形存储槽自然蒸发的燃料。除此以外，他们还和联合发射同盟签下合约，利用位于37B发射区的液氢储存设备来加速39B发射平台液氢球形存储槽的补充。
探索地面系统最近在39B建造了第二个更大的球形存储槽，但目前因软件测试刚开始进行，所以尚未正式投入使用。预计在阿尔忒弥斯2号任务时将可以用于辅助发射。
迈克额外提道“我们限制窗口最长时间为两小时还有预检分析目的的考量，发射窗口越长，我们就要分析更多的状况”。猎户座飞船、太空发射系统和探索系统开发部门的人员需共同进行飞行准备分析周期 (FRAC)，以明确阿尔忒弥斯1号发射的所有参数和考虑因素。
与计算密集的建模式分析类似，飞行准备分析周期必须每分钟确认和检查发射相关的各种参数组合和发射轨迹。除了作为最终结果的发射周期和发射窗口，分析周期还会在整个航行过程中不停地计算轨迹。

Credit: NASA/Ben Smegelsky.
（图片说明：图中可以看到位于39B发射区的大型阿波罗时代液态氢球形存储槽。太空发射系统的芯一级和临时低温推进段在一次发射测试中消耗的液态氢接近球体容量的极限。因此，美国宇航局将只能在7天内对阿尔忒弥斯1号进行3次发射尝试。在图片右侧地平线可以看到美国宇航局正在建造更大的第二个液态氢球形存储槽，预计从阿尔忒弥斯2号开始投入使用。）
除了计算标称轨迹和最佳轨迹以外，分析周期还会对包括飞行包线、性能边界、载具在低层大气中飞行时的开环引导、发动机燃烧控制器以及中止余量和能力等领域进行分析。在完整运行称为FRAC-0的分析周期之后，分析小组正在运行FRAC-1，该周期将一直持续到火箭准备好发射为止。

“我们正在持续进行飞行准备分析周期，”迈克说。“由于需要提前期，我们实际上采取的是滚动分析周期。因此，就算我们公布发射计划了，因为完成分析周期所需的时间很长，我们还是会在接下来的几个月内持续评估这个发射期是否合适。宏观上来说，我们希望准备发射的硬件条件达到时，我们可以同时完成相对应的飞行准备分析周期。”
在当天适合的发射窗口远长于两小时的时候，理论上可以基于当下的天气和其它因素选择出“最佳的”两小时，然而本次太空发射系统的第一次发射美国宇航局选择不采取这种做法。
“我们决定不特别为‘从200分钟选出120分钟’的情况制定一个选择标准，这会大大增加飞行准备分析的人力成本，却不会为任务带来显著的优势。”迈克说道“我们内部进行了良性的讨论，来决定是否需要通过天气或其他的一些决定因素去偏好特定的某120分钟，但我们最终都同意不这么做。我们决定选择120分钟时，只考虑如何最佳化团队表现来完美完成已经制定好的目标。”

Credit: NASA.
（图片说明：阿尔忒弥斯1号任务概览。）
对于发射窗口很短的情况，迈克说他们并没有设下过多的限制。“任何可以发射的日子对我们来说都是好日子。如果条件许可，我们就会在当天进行尝试。”他说道。“本次任务并没有任何的瞬时窗口（指极短的发射窗口），但可能会有个位数分钟或短短几十分钟长的发射窗口。只要遇到所有限制都满足的第一次机会，我们就会抓住它，并尝试发射。不管窗口时间长短，它都是个好日子。”

2022年2月的发射期从12日大约21分钟的发射窗口开始，并连续几天增加到最长的120分钟，然后在27日重新减少到约42分钟。这个2月发射期是少数没有因猎户座飞船会离开日照或其他原因产生“截断”的发射期之一。
在其他发射期，有些发射窗口短至仅仅一分钟。为了优化性能以最大化发射窗口持续时间的方法之一是改变插入初始停泊轨道的角度。升空后不久，火箭会将头朝着特定的方位角(azimuth)向下旋转，以插入特定轨道为目标调整自身角度。在火箭高度高于低层大气层后，其引导程序将不断转向以保持在该航向和倾斜度上。
“发射后的方位角取决于在发射窗口内实际发射的时间点，”迈克说。基于太空发射系统Block 1载具的设计，提高性能只能调整轨道插入角度。前文提到的发射窗口论文解释说：“有几种方法可以提高整体火箭性能，使地月转移制动更接近目标位置，包括改变目标轨道远地点、近地点、倾角或 RAAN（升交点赤经）。远地点需被用作从芯一级到临时低温推进段的性能交换，因此它无法被改变；近地点和轨道插入高度用于控制太平洋上芯一级的降落位置，也无法改变；而针对RAAN的转向在性能方面可能代价过高，因此也无法使用。唯一剩下的就是调整停泊轨道插入角度。”
在发射窗口最长为120分钟的一天中，发射方位角可能会发生显着变化。“在发射窗口初期，它可能是一个高方位角；在窗口中段，它是正东方位角；在窗口快结束的时候，它可能是一个更偏南的方位角。”迈克说。“方位角的变化范围为 46 度，这实际上是一个相当广泛的范围。”
来源：牧夫天文

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