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为什么火箭发射时要倒计时|真问真答

(2017-07-27 22:14:03)
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杂谈

火箭发射时使用倒计时并非科学家的发明,而是源自科幻电影的创举。

1929 年,德国电影大师弗里茨·朗在其执导的科幻影片《月里嫦娥》里,向电影观众首次呈现一枚登月火箭发射升空的全过程。

由于电影中火箭发射前运送至发射平台的过程过于冗长,为吸引观众注意力,营造「时间紧迫」的戏剧性气氛,电影特别安排了主人公在为火箭点火之前,读秒倒数的情节:随着屏幕上数字越来越小,其字体越来越大,直至巨大的「JETZT」(现在)出现,火箭腾空而起,升入云霄。

《月里嫦娥》剧照

倒计时这一设置,此后逐渐成为在各类电影中制造紧张氛围的有力工具,甚至可与定时炸弹这一电影传统道具相媲美。但真实的火箭发射也使用倒计时,并不是单纯向电影致敬,而是具有其实用意义。

火箭发射时使用倒计时,真正的作用在于确认火箭发射的时间零点。

如果把从火箭上发射架到任务完成的整个任务过程,以时间轴为数轴的话,那么发射的时刻就可以作为数轴的零点,或被命名为 T0。T0 时刻对于轨道计算十分重要,当火箭发射时,T0 时刻就会自动传输到所有的测控站。

而在火箭发射前的任务规划中,在发射窗口(任务最佳发射时间)内确认 T0,并确定发射前(用 T-xx 时间表示)发射后(用 T xx 时间表示)的程序设置,是整个规划的重中之重。

在规划完成后,负责火箭发射的所有部门就从 T0 倒推各项工序和部件的完结时间,并按各部门各自的归结时间继续前推。随后,火箭发射的各个部门在完成其任务时从数月、数周、数天开始不断归结,到发射前的数小时、一小时、半小时、一刻钟、五分钟、一分钟……直至指令员宣读 T0 之前的最后十个数,将全体工作人员的任务归结以最极端、最为具象的方式表现出来——这,才是火箭发射倒计时的最完整体现。

运载阿波罗 11 号的土星五号火箭,起飞前倒计时 1 分 15 秒

各国在火箭发射倒计时的具体设置上也是有差别的。比如,中国的火箭倒计时是点火倒计时——以火箭点火时刻作为 T0;而美国的火箭都是采用起飞倒计时——以火箭起飞时刻作为 T0。

造成这种差别的原因是,中国并未采用在美国普遍使用的牵制释放装置,火箭起飞与否全凭发动机的推力;而各个发动机的动作也不完全同步,作为结果的火箭起飞其时间无法人工控制,所以只能倒计时点火,然后测量起飞时间。

与之相对的,采用牵制释放装置的美国火箭起飞前被「锁」在发射台上,在起飞前的几秒点火,牵制释放装置会在火箭达到额定推力时解锁放飞火箭,火箭起飞的时间即为 T0。由于牵制释放装置允许各个发动机在火箭静止状态下工作一小段时间,它可以消除不同发动机间推力不同步的影响,从而更精确地控制时间。

牵引释放装置示意图

值得一提的是,在发射窗口设立时间零点,并以此规划整个发射进程的制度设计,也是科幻作品首先创造的。在凡尔纳最具预见性的科幻小说《从地球到月球》中,美国大炮俱乐部向麻省剑桥天文台咨询向月球发射炮弹并命中的可能性时,得到的答复如下:

摘要:一、大炮应设在南纬或者北纬零度至二十八度之间的地方。二、炮口应瞄准天顶点。三、炮弹应具有每秒一万二千码的初速。四、应于明年十二月一日下午十点四十六分四十秒发射炮弹。五、它将在射出后四天,即十二月四日半夜正,月球穿过天顶点时到达。

哥伦比亚大炮假想图

以第二年的「十二月一日下午十点四十六分四十秒」为 T0,大炮俱乐部在全球募集资金,在美国佛罗里达州南部选定发射地点,铸造了前所未有的「哥伦比亚」大炮,并在开炮前一切准备就绪;唯一不同的,仅仅是指令员并未使用倒计时,而是按自然时间进行顺数计时:

「三十五!——三十六!——三十七!——三十八!一一三十九!——四十!开炮!!!」
莫奇生突然用手指揿着电闸,接通电流,把电火送到哥伦比亚炮炮底。
立时传来一阵从未听过的,不可思议的,可怕的爆炸声,不论是雷声,火山爆发,还是其 它的声音都不能给这个声音一个概念。象火山喷火一样,一道火光把大地的内脏喷上天空,大地仿佛突然站起来了,在这一刹那间,只有有限的几个人仿佛看见了炮弹从浓烟烈火之中胜利地劈开天空。

有意思的是,影片《月里嫦娥》的科学顾问,与俄国齐奥尔科夫斯基、美国戈达德并称为火箭设计先驱,出生于罗马尼亚的德国人赫尔曼·奥伯特,少年时代的科学启蒙书籍恰恰就是凡尔纳的《从地球到月球》。奥伯特为《月里嫦娥》设计的火箭模型,其外形与内部构造均对凡尔纳小说中的锥形圆柱体“炮弹车厢”有所借鉴。

奥伯特为电影设计的火箭不仅造型前卫,理念也与后来的真实火箭颇为接近:它使用液体燃料,并且是分级点火。不过这倒不算奥伯特的创举,他出生 400 年前的同乡康拉德·哈斯就已经用火药爆竹实现了这一设定。正因为如此,齐奥塞斯库时代的罗马尼亚政府将哈斯钦定为「现代火箭的先驱」。

点击这里,向大象公会提问。

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