您当前的位置: 首页 >  博客资讯

运载火箭发射卫星时不一箭直达,为什么要兜圈圈?是推力不够?

上过初中的肯定都知道,两点之间直线段最短。可纵观世界上所有的航天发射,不管是发射卫星,还是发射载人飞船,运载火箭在送这些航天器进入太空时都要拐弯兜圈圈,这是为什么?难道是运载火箭的推力不够

就拿长征5号火箭来说,这枚火箭的推力可以将14吨重的航天器送到地球同步转移轨道。若是发射更小质量的卫星,必然能够将其送到离地面更远的轨道上去。可为什么几乎没有航天发射会采用这种“竖直向上”的发射方式?

不管是啥发射任务,运载火箭的飞行轨迹,基本上都是下图这个样子。火箭从地面升至高空,一路上火箭的轨迹会逐渐倾斜,最终飞行轨迹几乎与地面平行,然后消失在我们的视野中。

采用这种竖直向上的方式发射航天器,只有三种结果。

1,火箭动力足,直接让航天器摆脱了地球的引力, 然后一直飞下去,直到被其他天体的引力所捕获。航天器要脱离地球的引力束缚,所需要的最小初始速度为11.2千米每秒(这被叫做第二宇宙速度)。

2,另一种就是航天器刚好飞到了拉格朗日点,并停了下来。拉格朗日点是两个天体间的引力平衡点,理论上任意两个天体之间都存在5个拉格朗日点,但通常只有两个是最稳定的。在地球附近,离地球最近的地月拉格朗日点距离地球6.5万公里,而最近的地月拉格朗日点距离地球150万公里。

3,火箭动力不足,航天器无法摆脱地球的引力,在地球引力加速度的作用下,最终还是会落回地面。

大多数情况下,我们发射的都是环绕地球运动的航天器。若采用这种“竖直向上,一杆子到顶”的方式发射航天器,就算火箭的推力够大,能够将航天器一下子就送到预定轨道高度,它最终也会地球引力的影响下掉下来。

要想克服地球引力的影响,就必须给航天器一个切向速度,从而产生离心力,抵消地球的引力,使航天器绕着地球做圆周或者椭圆运动。所以火箭在发射的时候才要拐弯,火箭的飞行轨迹也是一个弧形。因为只有这样飞才能给航天器施加一个切向速度。

其实,火箭将航天器一竿子送到目的地也是可以的。如果没有火箭提供的切向速度,那么就必须依靠航天器自己的动力产生一个切向速度。可这样做需要携带大量的燃料,势必会增加航天器的质量,航天器质量变大了,运载火箭的推力也要弄得更大,运载火箭也需要消耗更多的燃料。

当然,这样做除了省燃料,也是因为现有火箭的推力并不大,很难将航天器一下子送入高轨道。就算能这样做,也并不划算。

航天器都是在地球上空沿着地球大圆环绕地球运动,轨道平面必过地球中心。而环绕地球运动的航天器的轨道种类有很多。

按轨道高度可以分为低轨道(近地轨道)、中轨道和高轨道。高低轨道并没有严格的划分,一般高度在1000公里以下的都被称为近地轨道或者低轨道。

轨道高度越高,航天器的运行速度也就越慢;轨道越低、越接近地面,所需要的运动速度就越快。如果航天器想贴着海平面飞行而不掉下来,它的速度必须要达到7.9千米每秒(第一宇宙速度),这也是航天器环绕地球运动所能达到的最大速度。

轨道高度为3.6万公里时,航天器的运行周期和地球的自转周期相同,这种轨道叫地球同步轨道。如果地球同步轨道的倾角为零,航天器正好沿着地球赤道飞行,这种轨道叫对地静止轨道(或地球静止轨道),它是地球同步轨道的特例,只有一条。

按轨道倾角则可以分为赤道轨道、极地轨道和倾斜轨道。其中,赤道轨道倾角为0度,轨道平面与地球赤道平面重合;极地轨道倾角为90度,轨道平面与地球赤道平面垂直,航天器会飞跃南北两极上空;而倾斜轨道的倾角既不是0度也不是90度。

如果按照航天器是否顺着地球自转方向飞行,又有顺行与逆行之分。

现在为了应对火箭推力不足,再加上考虑经济因素,大多都是先将航天器发射到近地转移轨道,然后再利用航天器自身的动力渐渐变轨至中高轨道。如果想将航天器送至距离地面3.6万公里的地球同步轨道或者地球静止轨道,现在都是先将航天器送至转移轨道,这种转移轨道的近地点距离地面只有几百公里,远地点则在3.6万公里以上,然后在变轨点至少要经过两次加速,抬升轨道高度,再变轨微调,才能到达预定轨道。微调的参数包括轨道倾角、轨道高度等。

这种转移方式被称为霍曼转移,它方式充分利用了天体的引力,可以在很大程度上节省航天器的燃料,唯一的不足就是耗费的时间长。

事实上,运载火箭斜着飞,还有另一方面的原因,因为航天器的飞行轨道大多都不位于发射场上空,要想发射至预定轨道,运载火箭从地面起飞后的飞行方向都不可能是竖直向上的。要是顺着地球自转方向发射,有地球自转线速度的加持,还更省燃料一些。