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火箭發(fā)射為什么需要發(fā)射窗口？

在航天發(fā)射直播中，我們經(jīng)常聽到一句話：“本次任務(wù)發(fā)射窗口為北京時間XX時XX分至XX時XX分?！庇袝r甚至?xí)霈F(xiàn)倒計時走到最后幾秒?yún)s突然中止的情況。很多人可能會疑惑：火箭不是動力很強嗎？為什么不能隨時起飛？為什么一定要等所謂的“發(fā)射窗口”？

其實，火箭發(fā)射并不是往上飛那么簡單，而是要以特定速度、特定方向進入預(yù)定軌道。地球每24小時自轉(zhuǎn)一周，因此發(fā)射場在空間中的位置和朝向不斷變化。如果目標是一個固定軌道平面，比如國際空間站所在的軌道，那么只有當?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)使發(fā)射場與該軌道平面相交時，發(fā)射才在幾何上可行。

以美國的肯尼迪航天中心為例，當執(zhí)行前往國際空間站的補給或載人任務(wù)時，必須等到空間站軌道平面經(jīng)過發(fā)射場上空附近的時刻。這個時間通常每天只出現(xiàn)幾次，每次可能只有幾分鐘。如果錯過，就只能等待下一次幾何條件再次滿足。

因此，發(fā)射窗口首先是一個軌道匹配時間段。如果在不匹配的時間發(fā)射，火箭即便升空，也可能無法以合理能耗進入目標軌道。

而且，火箭的燃料也是有限的，地球自轉(zhuǎn)本身可以為火箭提供初速度。在赤道附近，地球自轉(zhuǎn)線速度約為465米每秒。合理利用這部分速度，可以減少火箭所需的推進能量。因此，發(fā)射窗口還涉及到能量最優(yōu)化問題。如果在不合適的時間發(fā)射，航天器需要額外消耗推進劑進行軌道修正，這會降低有效載荷能力，甚至導(dǎo)致任務(wù)失敗。

對深空任務(wù)來說，這一點尤為關(guān)鍵。例如前往火星的探測任務(wù)，必須等待地球與火星在太陽系中的相對位置滿足最優(yōu)轉(zhuǎn)移軌道條件。火星繞太陽運行一周約687天，地球約365天，兩者形成合適相對位置大約每26個月一次。

圖片來源：新華社記者 李明剛

古人眼中的霹靂石，到底是個啥？

如你所見，這塊普通的黑黑的石頭，在唐朝古籍中，古人稱它為“霹靂石”，國內(nèi)又叫它雷公墨。由于南方雷雨頻繁，石頭經(jīng)常在下雨天被沖刷出來，古人就認為它是天上的雷公畫符遺留的墨塊。那它到底是什么呢？

它有一個不太科學(xué)的俗稱——“玻璃隕石”。學(xué)界曾經(jīng)存在一個誤區(qū)，認為雷公墨是地外天體落到地球上的隕石。事實上，雷公墨并不來自地外，它就是地球本身的巖石。當?shù)赝馓祗w以超高速度撞擊地球，地表巖石會瞬間熔融并被拋向空中。由于在極短時間內(nèi)快速冷卻，熔體沒有足夠的時間形成穩(wěn)定的礦物，最終凝固形成的玻璃物質(zhì)就是雷公墨。

雷公墨的英文名Tektite（意為“熔融形成的石頭”）正是源于這一過程。而“雷公墨”這個名字雖然生動，但并非標準的學(xué)術(shù)統(tǒng)稱。出于嚴謹，學(xué)術(shù)界一般將其稱為遠撞擊濺射玻璃，簡稱撞擊玻璃。但黑色的石頭有那么多，如何判斷它是不是撞擊玻璃呢？

絕不能僅憑黝黑的外表，而是主要依據(jù)三個物理和化學(xué)特征來判斷：首先要切記，既然名字里帶玻璃，那就說明它幾乎完全是由天然的玻璃所構(gòu)成的。玻璃態(tài)物質(zhì)的最大特點是非晶質(zhì)，內(nèi)部原子排列雜亂無章，沒有類似礦物的、規(guī)律的晶體結(jié)構(gòu)。

其次，撞擊玻璃的結(jié)構(gòu)水含量極低。結(jié)構(gòu)水是指進入玻璃內(nèi)部結(jié)構(gòu)的水，主要以O(shè)H?、H?等離子形式存在，而非巖石表面的吸附水。對于地球上由火山活動形成的天然玻璃，結(jié)構(gòu)水含量通常高于1%（質(zhì)量百萬分比），相當于100千克的火山玻璃中，經(jīng)高溫熔融可釋放出1千克以上的結(jié)構(gòu)水。而撞擊玻璃的結(jié)構(gòu)水含量一般遠低于0.04%，100千克的撞擊玻璃連40克的水都燒不出來。

最后就需要上點化學(xué)手法嘍~要看撞擊玻璃中的鐵元素。撞擊玻璃中的鐵元素以二價鐵為絕對主體，三價鐵占比極低。地外天體以超高速撞擊地表，會產(chǎn)生極高的壓力和溫度，形成強還原的氛圍，將巖石中原本的三價鐵快速還原為二價鐵。同時，熔融物被拋射至高空后極速冷卻，沒有時間與大氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，最終固定了二價鐵為主的價態(tài)。與之相比，火山玻璃在地表的有氧環(huán)境中緩慢冷卻，三價鐵占總鐵的比值顯著更高，和撞擊玻璃的鐵元素價態(tài)差距明顯。

圖片來源：Pan, Qing, et al. "An eastern extension of the layered-only zone of Australasian tektites." Geology (2026).

我國首個百萬方級鹽穴儲氫工程投產(chǎn)！

4月25日，我國首個百萬方級鹽穴儲氫示范工程在河南省平頂山市投產(chǎn)運行。該項目的落地投用補齊了氫能大規(guī)模、低成本儲能關(guān)鍵短板，標志著我國氫能“制-儲-輸-用”正式邁入產(chǎn)業(yè)化新階段。

該工程由中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所與中國平煤神馬集團共同實施。團隊通過精細化選址選層方法，精準確定1418米鉆井深度，主導(dǎo)建成水溶體積超3萬方的鹽穴腔體，主導(dǎo)完成150萬標準立方米氫氣儲存，成功實現(xiàn)了我國鹽穴大規(guī)模儲氫工程實踐。

該工程實現(xiàn)多項技術(shù)突破——首次利用層狀鹽巖建成儲氫庫，厘清氫氣在超低滲巖鹽中多尺度運移規(guī)律，形成鹽穴儲氫庫精細選址選層關(guān)鍵技術(shù)，驗證了層狀鹽巖儲氫的長期密封性與工程可行性。

本次工程還攻克了臨氫材料腐蝕、設(shè)備密封等瓶頸，研制出抗氫脆套管及高密封性井口裝置等，關(guān)鍵核心設(shè)備100%國產(chǎn)化，構(gòu)建了自主可控的地下氫能儲備技術(shù)體系。

團隊首創(chuàng)“地表-井筒-腔體”天地空一體化安全監(jiān)測技術(shù)，實現(xiàn)了地面氫氣濃度、井筒振動信號、氣水界面深度、腔體地震信號等全方位實時預(yù)警，保障工程安全穩(wěn)定運行。

作為我國首座鹽穴儲氫庫，該工程首次驗證了我國地質(zhì)儲氫技術(shù)可行性，為“十五五”期間破解氫能大規(guī)模儲備瓶頸提供成熟技術(shù)路線。

圖片來源：中國科學(xué)報

不冒氣的湯可不敢直接喝…

為什么剛煮好的熱湯表面幾乎不冒熱氣，但一吹開表面那層油膜，立刻就會有大量蒸汽冒出來？這是因為低密度、高沸點的油在熱湯表面形成了一層“罩子”，阻擋了水分子的蒸發(fā)。

常見的食用油，既不和水互溶，也不會與水反應(yīng)，密度還比水低，因此會浮在煮好的湯表面，形成一層油膜。剛煮好的熱湯溫度接近 100℃（也就是常壓下水的沸點），其內(nèi)部水分子的動能極大，極易發(fā)生蒸發(fā)——而食用油的煙點（也就是油開始分解并“冒煙”的溫度，它比食用油的沸點更低）一般在 200℃左右，區(qū)區(qū) 100℃“低溫”，根本無法讓食用油分解或蒸發(fā)。

這里有個關(guān)于蒸發(fā)的小知識：蒸發(fā)是只在液體表面進行的。因此，油膜的存在讓熱湯中的水分子無法順利逸散到空氣中，阻斷了蒸發(fā)過程。而一旦失去了油膜的阻擋，大量高動能的水分子瞬間從表面掙脫束縛，發(fā)生劇烈的蒸發(fā)，變成高溫水蒸氣逸散出來。

不過，水蒸氣本身是不可見的。當大量涌出的高溫水蒸氣遇到外界溫度較低的空氣，會在冷空氣中迅速液化，凝結(jié)成無數(shù)小液滴懸浮在空中——這才是我們?nèi)庋劭吹降摹罢羝薄?/p>

浮于表面的油膜阻礙了水分子的蒸發(fā)，俗話說“不冒氣的湯最燙人”，原因正是如此——下次看到不冒熱氣的湯，可要仔細看一看表面是否有一層油膜，免得被燙傷~

圖片來源：veer圖庫

你見過會飛的“銀河”嗎？

攝影師在遼寧沈陽臥龍湖拍下了一段鳥浪翻飛的絕美畫面，經(jīng)過后期處理，竟變幻成了天上的星河。臥龍湖是遼寧省最大的平原淡水湖，地處 “東亞——澳大利西亞”全球候鳥遷徙通道之上，是候鳥北歸途中最重要的“加油站”，每年3月中下旬到4月中下旬，每日薄暮時分是鳥浪最壯觀的時段。

視頻來源：CCTV紀錄

內(nèi)容綜合自中國科普博覽微博、力學(xué)科普、科學(xué)大院、中國科學(xué)報、中科院物理所、CCTV紀錄

本文首發(fā)于中國科普博覽（kepubolan）

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