为什么火箭要垂直发射?火箭发射过程示意图

火箭(rocket),火箭有很多种,原始的火箭是用引火物附在弓箭头上,然后射到敌人身上引起焚烧的一种箭矢。起初只是用于过年过节放烟火使用。现代的火箭是以热气流高速向后喷出,利用产生的反作用力向前运动的喷气推进装置。它自身携带燃烧剂与氧化剂,不依赖空气中的氧助燃,既可在大气中,又可在外层空间飞行。现代火箭可作为快速远距离运输工具,可以用来发射卫星和投送武器战斗部(弹头)。运载火箭用有控火箭作运载器,这种运载器亦称之为运载火箭。运载火箭不但可以用来运送战斗部,并使其击中目标构成导弹;而且可以用来运送各种类型的航天器,例如,人造地球卫星、载人飞船、空气站和空间探测器等,并使他们准确进入轨道。早期运送航天器的运载火箭就是从导弹运载派生出来的。苏联发射世界上第一颗人造地球卫星的卫星号运载火箭,就是用苏联最早研制成功的P-7洲际战略导弹的运载器改制而成。我国的长征二号运载火箭也是在我国研制的第一代洲际战略导弹的运载器基础上改制而成。以后,随着航天器类型与数量的增多,航天发射范围的扩大,发射航天器的运载火箭开始独立发展并自成系列。我国的长征三号系列、长征四号系列运载火箭就是专为发射不同轨道的航天器而研制的专用运载火箭。由于运载火箭可以在大气层外飞行,所以它已成为人类进行航天活动必不可少的工具。运载火箭技术亦已成为一个国家航天技术的重要基础。当前,世界上航天技术先进的国家都在为研制高可靠、低成本、大推力、无污染、多用途以及可以重复使用的运载火箭而不懈努力。

为什么火箭要垂直发射?

其实火箭在起飞的一刹那要减轻火箭的重量,而且飞行过程中还要减少空气阻力。人们总是希望只消耗较少的能量便能使火箭平稳的起飞,并获得非常大的飞行速度。发射台上的火箭起飞之后,如果推力大于重力,火箭才会慢慢且平稳地垂直上升,并逐渐快速飞向空中。假设不是垂直发射而是倾斜发射的,那幺火箭就一定在倾斜的发射架上滑行非常长的距离才能获得足够的起飞力量,以免很快掉到地上来;这不但要多消耗能量,并且要有很长的发射架。弹道式火箭的推力比其重力大不了多少。一般采用垂直发射较为合适。火箭飞行中所受的空气阻力和大气的密度、压力、温度有直接联系,而空气的因素又随高度的不一样而显着变化,所以,垂直发射能够使火箭尽快地穿过浓密的大气层而进入高空飞行,以降低能量的消耗。如此可知,垂直发射火箭是最合理的发射方法。

为什么火箭没有横着发射的?

所有人都清楚,卫星都是绕地球转圈圈的,但所有人看到的是,发射卫星时,火箭都是垂直发射的。

不少人,包括以前的我,很是疑惑,为什么火箭不能像导弹那样斜着发射呢?

为什么火箭要垂直发射?火箭发射过程示意图

或者找一高地然后像牛顿大炮那样横向发射?

为什么火箭要垂直发射?火箭发射过程示意图

牛顿大炮示意图-1

为什么火箭要垂直发射?火箭发射过程示意图

牛顿大炮示意图-2

为什么火箭要垂直发射?火箭发射过程示意图

牛顿大炮示意图-3


初始速度是一个原因

上图为斜着发射的导弹,运载火箭不能像导弹那样斜着发射,这是因为——那会掉在地上!

在电视直播卫星发射的时候,我们很容易看到,运载火箭的初始速度是很慢的,多年前笔者还误以为,火箭的初速度怎么会那么慢呢?这一定是电视台为了让观众看清楚,看得爽,所以设置了慢镜头,一定是的!

直到有一次,遇到一个经常在火箭发射现场的朋友,他说
,是的,火箭发射时,初速度就是那么慢,不是啥慢镜头。

所以,问题来了,火箭这么慢的初始速度,你让它像导弹那样斜着发射,或者像牛顿大炮那样水平发射,那只会有一个结果,一头栽在地上。

为什么火箭要垂直发射?火箭发射过程示意图


月球上的情况

初始速度低,这并不是难以解决的问题,只要加大初始推力,运载火箭当然也能像导弹似的斜着发射。那么,为什么不设计这样的运载火箭,让它也能斜着发射呢?

答案是,
就算把火箭的初始速度大幅度提高,然后像导弹似的斜着发射火箭也是不合理的。具体原因,待会儿说,咱们先来看看月球上的情况。

假如月球上已经建立有人基地,并有强大的工业能力,那么,从月球发射飞船到地球,或者把物资抛送到地球,怎么发射、怎么抛送才最经济?恐怕莫过于用质量投射器了。

为什么火箭要垂直发射?火箭发射过程示意图

为画家绘制的设置在月球上质量投射器想象图

质量投射器只是一个名字而已,其原理不外乎跟磁悬浮列车、电磁炮或者航母上的电磁弹射器类似。

利用斥力,让飞船或者物资无接触地悬浮在轨道上,接着借用电磁炮类似的原理,用强大的电磁力把飞船加速到一个很高的速度发射出去。

为什么火箭要垂直发射?火箭发射过程示意图

为月球上的质量投射器想象图。

在月球上,使用质量投射器有巨大的优势。首先,
月球的环绕速度只有1.32km/s,也就是说只要达到这个度就能成为绕月飞行的卫星了;而月球的逃逸速度只有2.38km/s,只要达到这个速度,就可以逃离月球,直奔地球而去。

相比地球7.9km/s的环绕速度和11.2km/s的逃逸速度。从月球上水平发射火箭实在是要容易得多,廉价得多。

另一个非常重要的原因是,
月球上没有大气,不存在因为初速度太高而遭遇很强的大气阻力这种情况。

综上所述,从月球上发射火箭或者飞船,斜着发射或者水平发射都是没有多大问题的,如果采用质量投射器,那简直是帅爆了。

可是,
在地球上就不同了,地球有浓密的大气层,火箭发射时,除了要抵抗强大的地球引力,还要克服浓密大气对火箭的重重阻力。

为什么火箭要垂直发射?火箭发射过程示意图

这是2010年,宇宙神-5型运载火箭高速爬升时,对大气产生强烈的冲击作用,照片中可看到壮观的类似涟漪的现象。

因此,
垂直发射,尽量以最短的距离和最快的时间冲出浓密大气,然后再调整方向,横向加速,这才是比较经济的做法。

为什么火箭要垂直发射?火箭发射过程示意图

这张长时间曝光的图片记录了三角洲II型火箭推送NASA的OCO-2卫星进入地球轨道的长长轨迹,从距离发射点200千米处拍摄。空中的其他短长条是星轨。

假设斜着或水平发射,无疑,火箭将穿越更长的浓密大气,这得不偿失。

为什么火箭要垂直发射?火箭发射过程示意图

两种发射方式经过的大气层路程对比


一个特例:飞马座火箭

虽然从地面发射场水平发射不太经济,但这不代表不可以从其他地方水平发射,比如美国的“飞马座“火箭就多次从飞机上抛出,水平点火前进一段时间,然后才开始爬升。

为什么火箭要垂直发射?火箭发射过程示意图

飞马座火箭是一种小型的有翼运载火箭,负责把443公斤以下的卫星运载到低轨。因为体积和质量都比较小,所以它可以从飞机上发射入轨,不需要地面发射场。

为什么火箭要垂直发射?火箭发射过程示意图

飞马座火箭从飞行高度可达15000米的“B-52”同温层堡垒轰炸机上抛出,水平发射

在高空发射火箭的一个好处是,因为是在大气层中的平流层发射,所以可以避免因地面气候原因而带来的影响,像前段时间的猎户座飞船,就因为天气等原因几次推迟发射。

另一个更大的好处当然是火箭点火前就具有了飞机所赋予它的0.8倍音速,以及十几千米的高度。


虽然飞马座火箭初始状态是水平点火发射,但其实只是一个较短的时间而已,接下来其主要的工作还是要爬升,以便尽快冲出大气层。

为什么火箭要垂直发射?火箭发射过程示意图

飞马座火箭飞行轨迹

电视直播时,火箭都是垂直向上的,这给不少人带来一个误解,认为火箭始终都是垂直向上,实际上不是。


火箭发射轨道包括垂直起飞段、程序转弯段和入轨段。垂直起飞只是我们最经常看到的一个阶段而已。


火箭发射过程示意图:

长征-2F火箭点火发射

为什么火箭要垂直发射?火箭发射过程示意图

抛弃逃逸塔

为什么火箭要垂直发射?火箭发射过程示意图

四个助推器分��

为什么火箭要垂直发射?火箭发射过程示意图

一级火箭分��

为什么火箭要垂直发射?火箭发射过程示意图

整流罩分离后��

为什么火箭要垂直发射?火箭发射过程示意图

二级火箭主发动机熄火

为什么火箭要垂直发射?火箭发射过程示意图

箭船分离

为什么火箭要垂直发射?火箭发射过程示意图

推进舱帆板展开

为什么火箭要垂直发射?火箭发射过程示意图

推进舱帆板对日定��

为什么火箭要垂直发射?火箭发射过程示意图

轨道舱帆板展开

为什么火箭要垂直发射?火箭发射过程示意图


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