導讀：
阿爾忒彌斯1號原計劃于北京時間2022年8月29日發射升空，但現在發射被推遲。那到底是什么決定了阿爾忒彌斯1號的發射窗口呢？譯者找到了這篇于2021年11月1日發表于天文新聞網站NASASpaceFlight.com的文章，希望可以為大家解惑。
注：譯者添改了內文部分內容來符合當下的情況。
要讓阿爾忒彌斯一號的首次登月發射順利進行，除了飛行硬件和地面系統必須到位，美國宇航局還必須將升空時間與運轉精密的天文鐘表進行同步。太空發射系統(SLS)和獵戶座飛船(The Orion)共同屬于探索系統開發部門(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射機會，在這之上會有一個“兩周跑兩周停”的規律。在發射期里，探索面系統 (EGS)、獵戶座飛船和太空發射系統的團隊們將有一個從幾分鐘到幾小時不等的發射窗口。
是什么條件限制了發射機會？
阿爾忒彌斯一號登月任務的規劃很早就開始了。前稱 Exploration Mission-1，這是探索系統開發部門里三個項目的第一次聯合試飛，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），太空發射系統、獵戶座飛船將首次從肯尼迪航天中心出發，在探索地面系統的輔助下一起升空。
太空發射系統會先把獵戶座船移動到距離月球表面約100 公里的月球轉移軌道上，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研發的“星艦”的變體以及“深空門戶”碰上面——兩者都在積極開發中。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境進行數十個飛行測試目標和系統檢查。
Credit: NASA.
初期的深空門戶規劃。
要移動到地月遠距離逆行軌道有著其獨特的發射限制，阿爾忒彌斯1號的任務經理，邁克•薩拉芬(Mike Sarafi)在2021年9月的一次訪談提道：“有幾個少數的關鍵要素決定了當天是否會有一個發射機會出現。隨著你更詳細地規劃出本次的任務要求，更多的限制會逐漸浮現，比如說著陸月球或對接時的光線狀況，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，發射機會大約每兩周會重復一次，每次的發射期（Launch period，指包含有發射機會的那幾天，和Launch window發射窗口指能進行發射的幾分鐘到幾小時，不同。）為約10到15個連續的日子。接下來會有兩周完全沒有發射窗口，直到下一次發射期重新開始。
美國宇航局將發射期給予編號，并預計每次發射期之前舉行不同輪次的飛行準備情況審查。發射期18（可簡寫成LP18）為2021/02/12 - 02/27（含前后），發射期19為2021/03/12 – 03/27（含）。（譯者注：我們目前在發射期25，2022/08/23 - 09/06。下一次發射期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號使用的發射窗口。其中很重要的第一個限制是太空發射系統在第一階段開發的Block 1載具的性能。“抵達地月轉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載具的發射。”
Credit: NASA.
?。▓D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，并在原文網站論壇上被分享。提供的文件修訂版是根據 2021 年 2 月的數據生成的，反映了美國東部時區的發射日期和時間。本圖并沒有新的對應版本流傳在網上。）
“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都是按照可以從太陽獲取能源來設計的。”
在10 - 15天的發射期內，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奇怪的一天無法發射。”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號發射窗口的四個主要因素。”他總結道。
Credit: NASA HQ PHOTO on Flickr
?。▓D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。閃電擊中發射臺39B的保護系統，避開了還在準備發射的太空發射系統和獵戶座飛船。原本8月29日的發射被延期到了9月3日，但當地目前不穩定的天氣為新的日期加上了一層不確定性。）
初期的太空發射系統Block 1配置使用了臨時低溫推進段(ICPS)，這是一種從聯合發射同盟(ULA)的德爾塔-4運載火箭第二節(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，發生在太空發射系統的五段固體火箭助推器和芯一級（Core Stage）之后。太空發射系統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，但卻有著異常高的遠地點。
對阿爾忒彌斯1號任務來說，太空發射系統的芯一級發動機目標為一個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射系統發射窗口的論文寫道。“而橢圓停泊軌道的最高點起到‘調節器’的作用，讓芯一級的效能可以被轉移到臨時低溫推進段，并在需要的時候反向轉移。”
“將來，等太空發射系統第二階段的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移點。”邁克說道。將來搭載勘探上層段的太空發射系統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射系統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射系統的性能，如太空發射系統助推器中固體推進劑的整體溫度會受到不同季節當地溫度的影響。位于北半球發射場的助推器在夏季幾個月的較高環境溫度下具有更好的性能。
Credit: NASA.
?。▓D片說明：來自美國宇航局關于太空發射系統發射窗口的論文內圖，當時該任務仍被稱為Exploration Mission-1，該圖顯示了因太空發射系統Block 1配置而導致的發射周期限制之一。為臨時低溫推進段設計的高橢圓注入/停泊軌道對發射時間添加了限制。未來的太空發射系統版本使用了正在開發的勘探上層段，預計改使用圓形停泊軌道，從而增加地月轉移的機會。）
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，除了會限制發射日期之外，也會對任務長度產生影響。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。“在一個發射期內，‘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。
發射窗口當日
在選定了發射的“吉日”之后，可以稱之為“良辰”的發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。“在發射期一開始，發射窗口會因當下狀況有長有短，但隨著發射期一天天過去，發射窗口的時長會周期性變化。”
“以我目前看到過的數據來說，滿足上面提到的條件的發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.
?。▓D片說明：關于太空發射系統發射窗口的論文中，另一張圖顯示了發射窗口如何隨季節變化。阿爾忒彌斯1號任務沒有要求白天發射，而且肯尼迪航天中心在冬季的幾個月也很少有白天發射的機會。2022年2月發射期的所有發射窗口都在晚上。）
太空發射系統的液體推進劑裝載（和卸載）是天體運轉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氫和液態氧，這導致裝載、卸載、重新配置都要花很長時間。我們為了確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。”
太空發射系統芯一級在斯坦尼斯航天中心進行單次的初步試運轉(Green Run)測試時，凸顯出了發射臺低溫燃料裝載能力的不足。加上臨時低溫推進段，兩者需要的液態氫接近了39B發射臺球形存儲槽的極限。
在2018年11月一次對39B發射臺的參觀訪問中，美國宇航局發射臺運營經理肯•福特曾提到，太空發射系統Block 1載具的兩個液態氫液態氧階段在發射當天可能使用多達730,000加侖（約2763立方米）的液態氫，這個數字包含了最長兩個小時的發射窗口等待時間。
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）的液態氫，其中765,000加侖（約2896立方米）可用于支持發射。這只足夠支持單次的發射嘗試，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，一些液態氫會被用于發動機溫度調節，一些液態氫則會在燃料罐內自然蒸發。如果在等待整整兩個小時的發射窗口后取消發射嘗試，并將燃料罐中的推進劑排回存儲槽，液態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：太空發射系統芯一級-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。在初步試運轉期間，芯一級-1接受了多個級別的系統測試，最終在一次長達數分鐘的點火中圓滿結束測試。芯一級-1是阿爾忒彌斯1號任務的重要組成部分。）
如果發射嘗試在兩小時內就被取消，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小時讓氫和氧在發射平臺上被重新補滿。按照這個補充計劃表我們在7天內只有三次機會。”
美國宇航局目前已經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的燃料。除此以外，他們還和聯合發射同盟簽下合約，利用位于37B發射區的液氫儲存設備來加速39B發射平臺液氫球形存儲槽的補充。
探索地面系統最近在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，發射窗口越長，我們就要分析更多的狀況”。獵戶座飛船、太空發射系統和探索系統開發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號發射的所有參數和考慮因素。
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射相關的各種參數組合和發射軌跡。除了作為最終結果的發射周期和發射窗口，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發射區的大型阿波羅時代液態氫球形存儲槽。太空發射系統的芯一級和臨時低溫推進段在一次發射測試中消耗的液態氫接近球體容量的極限。因此，美國宇航局將只能在7天內對阿爾忒彌斯1號進行3次發射嘗試。在圖片右側地平線可以看到美國宇航局正在建造更大的第二個液態氫球形存儲槽，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引導、發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，該周期將一直持續到火箭準備好發射為止。
“我們正在持續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持續評估這個發射期是否合適。宏觀上來說，我們希望準備發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，然而本次太空發射系統的第一次發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勢。”邁克說道“我們內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來完美完成已經制定好的目標。”
Credit: NASA.
?。▓D片說明：阿爾忒彌斯1號任務概覽。）
對于發射窗口很短的情況，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（指極短的發射窗口），但可能會有個位數分鐘或短短幾十分鐘長的發射窗口。只要遇到所有限制都滿足的第一次機會，我們就會抓住它，并嘗試發射。不管窗口時間長短，它都是個好日子。”
2022年2月的發射期從12日大約21分鐘的發射窗口開始，并連續幾天增加到最長的120分鐘，然后在27日重新減少到約42分鐘。這個2月發射期是少數沒有因獵戶座飛船會離開日照或其他原因產生“截斷”的發射期之一。
在其他發射期，有些發射窗口短至僅僅一分鐘。為了優化性能以最大化發射窗口持續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，以插入特定軌道為目標調整自身角度。在火箭高度高于低層大氣層后，其引導程序將不斷轉向以保持在該航向和傾斜度上。
“發射后的方位角取決于在發射窗口內實際發射的時間點，”邁克說?；谔瞻l射系統Block 1載具的設計，提高性能只能調整軌道插入角度。前文提到的發射窗口論文解釋說：“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）。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。唯一剩下的就是調整停泊軌道插入角度。”
在發射窗口最長為120分鐘的一天中，發射方位角可能會發生顯著變化。“在發射窗口初期，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。”
來源：牧夫天文
