文章來源：科學大院
作者：太空精釀（代爾夫特理工大學）
最近 SpaceX 獵鷹重型火箭成功發射的消息不斷刷屏，但它的發射時間一推再推也讓很多關註的人鬱悶無比。明明天氣晴朗無風，為什麼非說風太大而推遲？
獵鷹重型火箭發射場直播視頻截圖：晴，萬裡無雲。但此時 SpaceX 剛剛宣佈高空風太大，延後兩小時發射 ?PBSnewshour
在世界各國的航天發射過程中，都要嚴格遵守一套叫做 " 火箭發射天氣標準（weather launch commit criteria）" 的規則。這套規則規定瞭各種氣象條件。如果沒有特殊的任務要求，不滿足其中任何一條就必須推遲火箭發射。
其中最傲嬌的恐怕就是航天飛機發射瞭，由於航天飛機擁有超過 250 萬個零件、平均算下來每次發射費用達到 15 億美元（由項目總花費和總發射次數計算而來）之巨，不得不對天氣更為小心。
在航天飛機的任務歷史中，有接近一半的延期發射與天氣因素相關。
我國的載人航天發射也是如此，在發射直播期間，中央電視臺一定會采訪酒泉東風航天城的氣象站，而氣象站一定會匯報風速、風向、溫度、濕度、雲層情況等詳細信息，最後會總結為一句話：" 該氣象條件可以滿足發射要求 "，然後才能進入下一步。
為什麼火箭發射會如此敏感於天氣狀況呢？而哪些惡劣天氣會導致火箭發射推遲？
1. 恐怖的雷電和雨雲
希臘神話中主宰雷電的宙斯成為瞭眾神之王，中國神話中雷公電母也地位非凡，甚至在中國文化中最恐怖的詛咒之一也是 " 天打雷劈 "，人類對於雷電的恐懼可見一斑。
而事實上，" 遭雷劈 " 也是火箭發射中最為恐懼的一條。
其實道理很簡單，火箭由很多精密的電子儀器構成、且在飛行過程中需要大量的地面雷達遙測信號，雷電很容易導致電子儀器短路和失效，雷雨雲也極大幹擾地面遙測信號導致火箭制導與控制困難重重，雷擊強大的能量甚至可以擊毀火箭。
1987 年 3 月 26 日，美國的宇宙神—半人馬火箭在發射美國海軍一顆價值超過 10 億美元的通訊衛星時，就不幸遭遇瞭這種狀況。發射僅僅 48 秒後，就有強閃電擊中火箭，包括火箭偏航控制元件在內的諸多器件發生故障，火箭在空中自爆，任務失敗。
1983 年 8 月 30 日航天飛機第八次任務時，挑戰者號因為颶風 " 巴裡 " 被延遲發射達 10 天之久，攝影師 Sam Walton 記錄下來瞭延遲期間閃電擊中發射臺的場面 ?NASA
2. 強風
火箭發射並不是筆直飛向天空，當到達一定高度後便開始轉向，從而達到任務的軌道傾角要求。
在此期間，火箭需要經歷復雜的轉向和姿態控制，而過大的風速、甚至劇烈變化風速和風向的風切變，都顯然將影響這一控制精度。
所謂 " 失之毫厘，謬以千裡 "，起步階段的火箭對於控制精度要求極高，因此必須盡量減小強風天氣對火箭的影響。
大氣是個由對流層、平流層、熱層、電離層等組成的高達 100 千米的綜合，在每一層都存在不同的氣象條件和風速，它們中的任意一層出現異常風速都將導致火箭控制大打折扣，甚至造成任務的失敗。
人類生活在對流層底部，但這裡感受到的風根本無法代表高空大氣情況。對於後者的瞭解需要綜合專業發射場氣象觀測站、探空氣球、氣象衛星等因素而來。
國際空間研究委員會（COSPAR）公佈的大氣模型中關於平均風速的描述，可以看到對流層的風速比起高空大氣隻是小巫見大巫 ?COSPAR
歐空局最著名的羅塞塔彗星探測任務，需要在茫茫太空中花十年時間追上目標——丘留莫夫 - 格拉西緬科彗星。它對發射窗口的要求可謂更加嚴格。
但它先是因為阿麗亞娜火箭之前的故障被延期近一年，臨近到新發射窗口時，又因為高空大氣的強風進一步推遲 24 小時，但為保障安全，寧願事後修改設計軌道也不能冒險強行升空。
因此，SpaceX 在發射獵鷹重型火箭和獵鷹九號火箭時，被高空風切變影響而延後，更是傢常便飯。
更何況在人類生活的對流層內，這裡的大風天氣一般伴隨著風雨雷電，這就導致航天發射危險系數進一步升高。
3. 空間天氣
在航天發射中，需要考慮的天氣遠不止地球天氣這麼簡單，還要考慮行星際的空間天氣，對於地球而言，則是需要觀察太陽的活動。
比如劇烈的太陽耀斑和風暴可以輕易引起大范圍地球磁暴，在整個電離層引起巨大波動，這種人類肉體難以察覺的災難，可以輕易毀掉航天器的元件甚至直接使它們報廢。
太陽活動和磁場作用不僅產生極光，劇烈的活動也會導致電離層出現 " 風暴 " ?ESA
1989 年 3 月的太陽風暴直接導致美國 GOES 衛星壽命減半，日本衛星 CS-3B 異常、命令電路損壞，而 1998 年的太陽風暴則直接導致美國銀河 -4 號通訊衛星報廢。
俄羅斯 2011 年發射的火星探測器福佈斯土壤號，則是在剛進入環繞地球軌道就遭遇瞭強宇宙射線輻射，導致芯片發生故障。使得中國第一個火星探測器螢火一號任務也不幸一同失敗。
在航天發射時，也需要盡力避免太陽活動頻繁的時期，使得這種風險降到最低。
4. 低溫
極寒天氣也會對火箭發射產生不利影響，這體現在對地面發射場和火箭外置元器件的影響上。
挑戰者號發射前發射架恐怖的冰錐 ?NASA
最典型的例子就是 1986 年 1 月 28 日的挑戰者號航天飛機發射事故。
發射前，位於美國東海岸的肯尼迪航天中心遭遇瞭罕見的極寒天氣，氣溫連續處於零下，挑戰者號在被立到發射臺後被迫推遲。負責航天飛機助推器的生產商們發出過警告，發射場長時間低溫可能導致密封墊圈失效，而加註液氫、液氧後將使情況更加嚴重。
最終，挑戰者號的確因為發射期間固體助推器的 O 型密封圈在劇烈震動情況下脫落失效，導致燃料箱發生劇烈的爆炸，挑戰者號事故也因此成為世界最嚴重的航天事故之一，損失慘重。
5. 日照情況
火箭發射還需要考慮任務需求而制定任務時間，比如對光照要求較高的太陽同步軌道衛星、光學氣象衛星等任務必須白天發射，需要光學遙測制導的火箭也必須考慮日照情況：不能太強也不能太弱。
絕大部分攜帶太陽能帆板供能的衛星任務，也需要考慮入軌後展開太陽能帆板時的位置。不過，這個相比其他原因的影響力要小得多瞭。
那麼，真是因為受到上述情況的影響，推遲發射，會造成哪些影響呢？
a. 對液體火箭燃料加註的影響
液體燃料火箭是目前航天發射的絕對主流，占據瞭 90% 以上比例，它們使用的燃料一般是液氧、煤油、液氫、聯胺、四氧化二氮等，普遍需要低溫保存。
例如我國的長征五號就是一個以液氧、液氫為主要燃料的 " 胖冰箭 "，液氧、液氫的保存更加困難，要零下 252.8 ℃（液氫）和零下 183 ℃（液氧）。
以獵鷹火箭為例，火箭發射時的脫落物裡就有寒冷燃料導致的火箭表面水汽凝結而來的冰塊，可見冷箭是真冷啊 ?Space-X
在這種情況下燃料加註的時間點就非常重要，否則隻有在極低溫度下才能穩定保存的液態氣體燃料將會難以在常溫環境下保存，給地面發射場系統造成巨大障礙。
同理，傳統的四氧化二氮和聯胺燃料，會對火箭罐體產生緩慢腐蝕作用，發射窗口也需要著重考慮這個問題。
因此，如果火箭發射被天氣問題延遲、尤其是加註燃料後被延遲，對火箭的發射安全系數影響很大，需要盡力避免。
b. 發射窗口的影響
任何一個火箭發射任務都有一個叫做發射窗口的概念，比如前文提到的有些衛星必須趕上一定日照環境。對於行星際任務，往往要趕上星球之間的相互位置，比如地球和火星之間大概每 26 個月才出現一次發射機會，已經飛出太陽系的旅行者 1 號和 2 號更是趕上瞭 175 年一遇的罕見時間窗口才得以遍訪外圍行星（1 號由於土星 - 泰坦探測任務主動放棄天王星和海王星探測）。
而對於載人航天任務、尤其是有空間交會對接任務而言，更是有所謂 " 零窗口 " 的概念：由於目標對接航天器在太空中時刻運動、而地球也一直在轉動，所以目標航天器隻有在特定的時間才會路過與發射場位置 " 重合 " 的上空（其實是之前，因為要考慮火箭發射期間飛船也在運動），所以準備對接的航天器必須按時按點準時升空、甚至要做到與預計時間分秒不差才能在太空中準確交會對接。
以國際空間站的貨運飛船進步號為例的地面軌跡圖，可以明顯看到要飛行很多圈之後才會重復路過某地 / 發射場上空 ?RussianSpaceWeb.com
就像國際空間站對接、我國天宮一號和二號的飛船對接實驗一樣，在這種情況下可以想象因為天氣問題延遲將會多麼可惜。不過好在這種延期不會很久，基本等上一兩天就會有下次窗口。
也正因如此，世界各地的發射場都會有極其嚴格的天氣預報流程，早在發射之前幾周便會分析各種氣象數據預測發射日的天氣狀況，甚至釋放探空氣球探測局部具體信息。如果發現有可以驅散的惡劣天氣，比如小型雨雲，甚至會采取先發射 " 火箭 " 的方式來應對。
不過，此時發射的 " 火箭 " 一般都是能夠 " 呼風喚雨 " 的專用人工降雨炮彈或火箭，它們可以通過提前下雨的方式減少天氣對發射期間的影響。
但是目前人類對於真正惡劣的天氣，比如風暴和大型雨雲，還是得靠這個態度：
" 我打不起，但我躲得起 "！"
