為什麼火箭和太空飛行器是垂直發射的而不是以傾斜發射?

2020-12-25 科技小麋鹿

在平時,我們看到有許多的飛彈是傾斜發射的,但是在所有的火箭發射中,基本都是垂直地面發射的。

其實飛彈將其傾斜是有意義的,因此對於所施加的力,飛彈行進的距離最遠。而且,目前飛彈的速度足以在世界範圍內飛行而不會撞到地面。

其實飛彈和火箭的原理非常不同,首先,他們的動力是不同的。飛彈是一種以自身動力裝置為動力,由控制系統控制,以目標為導向的武器。而火箭是由火箭發動機產生的反作用力推動的飛機。航空火箭要求以最快的速度克服地心引力。

它們的成分也不同。飛彈由兩個主要部分組成:彈頭和運載火箭。它是真正直接用於戰鬥的彈頭。有些飛彈在最前面有彈頭,叫做彈頭。彈頭可能含有爆炸物、核武器、化學武器或其他裝置。運載火箭是一種用於向目標發射彈頭的可控飛行器,由結構系統、動力裝置系統和控制系統組成。運載火箭可以是火箭或其他類型的飛行器。

傾斜發射為什麼不行?

我們先考慮一下如果要完全水平發射,其實需要一個跑道和輪子或磁懸浮來支撐火箭的重量,直到達到軌道速度。這簡直是不可思議的,這就和飛機一樣了,如果水平發射將需要更多了路程才能到達軌道速度。但是早期的有些火箭很輕,因此不需要直接向上發射。它們可以微小的角度發射,並且由於其重量輕且功能強大的發動機以極大的加速度推動它們前進,因此無需花費大量時間來建立專用的垂直速度。許多早期的火箭(大多是探空火箭)都使用這種方法。但是像60多度這樣的角度還是非常困難的。

要製造出足以承受大傾斜角度發射的空氣動力和克服重力的航天火箭,那麼這樣的火箭必須攜帶更多的燃料。重型獵鷹火箭的開發與阿波羅火箭具有相同的大氣阻力結構,但是它沒有尾鰭。不包括鰭片可能與阿波羅號飛船實際上並不需要它們有關,現代控制系統可以更好地應對空氣動力壓力,而且對於獵鷹火箭的很大一部分飛行中,控制才是最為重要的。

火箭在大氣層中轉彎極為危險,因為這會對火箭造成很大的側向應力。動態控制的最佳軌跡涉及很多數學知識,以說明大氣阻力,重力,速度,剩餘燃料量和慣性。可以安全有效地添加儘可能多的順風速度,並且在大氣中越高,速度越高,所施加的力越接近水平方向。

垂直飛行計劃源於工程決策

目前的火箭垂直飛行計劃源於工程決策,該決策發現垂直升空可以使火箭更輕,燃料使用效率更高。在這一點上,這是一個非常有說服力的理由,以垂直之外的其他方式進行發射的火箭都將無比困難,無論是快速穿越大氣層、還是從結構和設計上,都會有很大的挑戰。

我們的火箭想儘快穿過大氣最厚的部分,火箭必須被快速移動進入軌道中。在這種速度下,他們需要在火箭上實現空氣阻力是很嚴格的。因此,即使火箭最終需要獲得比垂直方向更大的水平速度,但實際上可以節省燃料以垂直方向發射並在飛行的第一部分保持相當垂直。

發射後不久,火箭的機體將經歷一個稱為MAX-Q(最大動壓)的點,這是火箭上的最大空氣動力學阻力。許多火箭在接近這一點時實際上會減速,以防止在機身上產生危險的壓力。在發射幾分鐘後,MAX-Q很快就出現在飛行中。此時,火箭仍處於垂直狀態,它將試圖進入稀薄的空中。

其實超過最大動壓點時,空氣開始稀薄,即使火箭仍在加速,空氣動力實際上也減小了。火箭可以安全地收回油門,並且隨著動態壓力持續降低,它將轉向水平方向。該轉彎仍然必須輕輕進行。火箭又高又瘦,以最大程度地減少阻力,但這意味著他們不能在大氣中快速轉彎而不撕開自己。火箭一旦接近水平併到達高空,便開始以一定的水平速度真正飛行,這就是使它進入軌道的原因。

軌道對於火箭是非常重要的概念。我們可以操縱火箭直奔太空,也可以讓他在軌道環繞飛行。一旦上升到一定的高度,火箭的路徑就變成曲線了,然後隨著速度越來越大,火箭飛行的半徑就越來越大,最後,當速度超過7.9km/s的時候,火箭就擺脫了地球的束縛了,這個又叫第一宇宙速度。

三大宇宙速度

當發射速度V與宇宙速度分別有如下關係時,被發射物體的情況將有所不同:

1、當v<第一宇宙速度(7.9km/s)時,被發射物體最終仍將落回地面。

2、當第一宇宙速度≤v<第二宇宙速度(11.2km/s)時,被發射物體將環繞地球運動,成為地球衛星。

3、當第二宇宙速度≤v<第三宇宙速度(16.7km/s)時,被發射物體將脫離地球束縛,成為環繞太陽運動的「人造行星」。

4、當v≥第三宇宙速度時,被發射物體將從太陽系中逃逸。

由此可見,三個宇宙速度均是發射航天載體不同臨界狀態,而這些速度還都只是牛頓力學就可以推算出來的。

相關焦點

  • 火箭擇機發射,到底擇的什麼「機」?|太空飛行器|火箭發射|探測器|衛星|...
    2020年是中國航天輝煌的一年,航天發射任務頻繁,創造了多個「首次」。不知道大家有沒有發現,在火箭發射任務前,我們經常在媒體報導中看到「擇機發射」四個字,例如:  「長徵五號遙五運載火箭和嫦娥五號探測器已垂直轉運至發射區,計劃於11月下旬擇機實施發射。
  • 2020年世界各國火箭發射及入軌太空飛行器一覽
    2020年世界各國火箭發射及入軌太空飛行器情況統計(截止2020.11.30):1、第一名:美國,發射次數38,入軌太空飛行器數量911,失敗次數3次。無論是發射次數還是入軌太空飛行器數量,都居世界第一。2、第二名:中國,發射次數35,入軌太空飛行器數量75,失敗次數4次,發射次數居世界第二,入軌航天數量居第三。3、第三名:俄羅斯,發射次數12,入軌太空飛行器數量100,失敗次數0次,發射次數居世界第三,入軌航天數量居第二。
  • 全球2020年火箭發射次數及入軌太空飛行器數量狀況,美國重奪發射榜第一名
    獵鷹九號火箭回收 值得一說的是,美國這麼多次火箭發射中,Spacex佔了一半多,目前42次發射中有25次是「獵鷹9號」火箭發射的。 4、重要突破:個人感覺沒有什麼重大突破,如果說要有,只能把Angara A5火箭重型火箭第二次發射算上了。
  • 西昌發射衛星,西雙版納緊張,火箭殘骸為什麼會落到南方?
    當我們向太空發射火箭時,太空飛行器需要克服地球引力的束縛,或者為了獲得更大的逃逸速度,我們都需要藉助地球的自轉速度。大多數衛星都向東發射不是所有火箭都向東發射世界上唯一一個向西邊發射火箭的國家就是以色列。因為與周圍的鄰居關係都不好,火箭助推器的殘骸掉到人家頭上會惹來麻煩,同時還會洩密,所以以色列都是向西邊發射火箭,它的西邊是廣闊的地中海。火箭發射的方向還取決於衛星運行的軌道,對地觀測衛星通常都選擇極地軌道或太陽同步軌道。它們是大致沿著地球經度線的方向「豎著」飛行,每飛一圈都會穿越地球的南極和北極圈。在發射這類的衛星時,我們就要選擇向南或向北邊發射火箭。
  • SpaceX發射太空人的火箭助推器以傾斜姿態返回港口,差點掉海裡
    11月19日,SpaceX公司最重要的獵鷹9號助推器返回卡納維拉爾港,並帶來了一個驚喜-火箭沒有掉海裡。這或許是所有回收火箭中觀察到的最明顯的傾斜,讓人擔心它下一刻就會倒下掉進海裡。四天前,獵鷹9號火箭(和助推器B1061)成為歷史上第一枚獲得美國國家航空航天局(NASA)太空人認證的商業火箭,這一壯舉無懈可擊。「龍」號太空船(Crew Dragon)於11月16日安全地將4名太空人運送到了國際空間站,這標誌著超過五年的工作達到了獲得了值得肯定的成果。
  • 美國從中國手中搶走第一名,2020年全球火箭發射及太空飛行器入軌狀況
    獵鷹九號火箭回收 值得一說的是,美國這麼多次火箭發射中,Spacex佔了一半多,目前42次發射中有25次是「獵鷹9號」火箭發射的。 4、重要突破:個人感覺沒有什麼重大突破,如果說要有,只能把Angara A5火箭重型火箭第二次發射算上了。
  • 太空飛行器發射時不會被燒,返回時卻一定燃燒,其中的奧秘是什麼?
    這是很多人都覺得奇怪的一個現象,人們看到太空飛行器回收時,都會燃起熊熊大火,受到高溫燒蝕,為什麼火箭發射衛星上天時,不會發生燒蝕現象呢?要知道發射衛星至少要達到第一宇宙速度,才能夠讓衛星上天啊。第一宇宙速度是多少?就是每秒7.9千米,這樣的速度怎麼就不會燃燒呢?最簡單的答案就是「速度惹的禍」。
  • 中國長徵五號火箭進入發射臺,「天問一號」火星任務準備發射升空
    根據中國國有的新華通訊社報導,星期五上午,長徵五號火箭及其珍貴的載荷垂直運輸至中心的發射區域,用時約兩小時。發射團隊將在發射前對火箭進行最終測試。據新華社報導,長徵五號火箭已經進行了幾次試驗性發射,但天問一號的發射升空標誌著火箭的操作性的首次亮相。
  • 長徵八號遙一火箭垂直轉運至發射區 本月底擇機發射
    「中國航天科技集團」微信公眾號12月16日消息,當天,由中國航天科技集團有限公司一院研製的長徵八號運載火箭在中國文昌航天發射場完成技術區相關工作後,垂直轉運至發射區,計劃於12月底擇機實施飛行試驗任務。
  • 中國成功發射可重複使用太空飛行器 揭開「神秘任務」面紗
    從我國宣稱發射可重複使用試驗太空飛行器取得成功以來,專家們一直在思考其潛能和太空價值。該太空飛行器由長徵2F火箭運載,於9月4日從中國北部的酒泉衛星發射中心發射升空,在軌飛行兩天後安全返回地球。標誌著我國可重複使用太空飛行器技術研究取得重要突破,後續可為和平利用太空提供更加便捷、廉價的往返方式。」 這次發射前沒有任何正式官宣,但過去十年來中國一直在研究這種技術。三年前中國表示將在2020年發射一個「將像飛機一樣飛向天空」並可重複使用的太空飛行器。
  • 長徵五號火箭成功發射嫦娥五號探測器
    一箭穿雲 執行此次發射任務的長徵五號運載火箭由中國航天科技集團有限公司一院抓總研製,地球同步轉移軌道運載能力達14噸級,運載能力位居世界現役火箭前列,足以將目前人類研製的最重無人探測器之一 長徵五號遙五運載火箭 這是該型火箭的第二次應用性飛行任務。它此前的一位「乘客」是7月23日發射的「天問一號」火星探測器。
  • 第一種用火箭垂直發射的載人飛行器,巴赫姆Ba 349蝰蛇截擊機
    想像中齊射的Ba 349垂直發射的火箭截擊機的概念最早是1937年由著名的馮·布勞恩提出來的,他設想的火箭截擊機可以在發射臺上垂直升空,攻擊轟炸機後以普通飛機的方式在機場著陸。巴赫姆的方案是這樣的:除了保護飛行員的裝甲座艙外,他的飛機骨架和隔倉板全是木製的,蒙皮是薄膠合板的,用膠水和螺絲固定,只要會做家具的木匠都能製造。發動機是Me 163火箭戰鬥機用的相同型號,通過一個鐵架垂直發射,或者用一根20米長的松木也行。飛機起飛以後由地面無線電操縱飛行,飛行員只需要在最後幾秒鐘瞄準目標即可,因此很適合訓練無素的菜鳥。
  • 長徵二號F運載火箭成功發射可重複使用試驗太空飛行器
    近日,航天科技集團在酒泉衛星發射中心,利用長徵二號F運載火箭,成功發射一型可重複使用的試驗太空飛行器。試驗太空飛行器將在軌運行一段時間後,返回國內預定著陸場,期間將按計劃開展可重複使用技術驗證,為和平利用太空提供技術支撐。據悉,這是長徵二號F運載火箭第14次執行發射任務。
  • 武器介紹:艦載武器發射美學之垂直發射技術的「冷」與「熱」!
    朱姆沃爾特級驅逐艦配備MK-57垂直發射系統艦載垂直發射技術的優勢傾斜隨動發射結構比較複雜,採用傾斜發射的「標準」2防空飛彈(SM-2)艦載通用垂直發射技術的優勢主要有通用垂直發射系統採用「積木式」模塊化結構,省去了傾斜隨動發射特有的複雜運動和控制部件,結構簡單,適裝性好、可靠性高、維護量少、全壽命周期費用低。「積木式」模塊化結構五是隱身效果顯著。
  • 第九所用37年完成了100次發射 見證火箭的發射歷史
    長徵火箭就是我國自行研製的運載工具,它承擔了我國96.4%的發射任務,發射太空飛行器總質量佔中國發射總質量的99.2%。1970年至今,長徵火箭先後有17型基礎級火箭和5型上面級投入使用,成功將506個太空飛行器送入預定軌道。
  • 外媒高度關注,中國發射「可重複使用試驗太空飛行器」網友:讓人驕傲
    我國可重複使用太空飛行器技術取得重要突破,不過連一張圖都沒有。9月4日,新華社突然播發一則短消息:我國在酒泉衛星發射中心使用長徵-2F型火箭將可重複使用試驗太空飛行器成功送入太空。在軌飛行2天後,於9月6日成功返回預定著陸場。可重複使用?返回國內著陸場?這立即引起國內外熱議。
  • 火箭發射前需要經歷怎樣的過程?一起來看看火箭的旅行日記
    中國串並聯型運載火箭發射前組裝模式主要包含箭體吊裝、水平運輸、垂直吊裝以及逆向撤收等作業流程。首先,助推器及芯級箭體在火箭總裝廠內通過行車分別吊裝至交通運輸工具上,然後由這些交通運輸工具將火箭各級箭體分別運抵發射場技術區,再通過運輸車轉運到發射區實現轉場作業。
  • 長徵八號遙一火箭垂直轉運至發射區 計劃12月底擇機發射
    12月16日,長徵八號遙一運載火箭在中國文昌航天發射場完成技術區相關工作後,垂直轉運至發射區,計劃於12月底擇機實施飛行試驗任務。駱雲飛 攝圖為長徵八號遙一火箭垂直轉運。駱雲飛 攝圖為長徵八號遙一火箭垂直轉運。駱雲飛 攝圖為長徵八號遙一運載火箭在垂直測試廠。駱雲飛 攝圖為長徵八號遙一火箭垂直轉運。駱雲飛 攝圖為長徵八號遙一火箭垂直轉運。駱雲飛 攝圖為長徵八號遙一火箭。
  • 2020-2021年世界太空日曆:火箭發射、空間活動、任務等!
    SpaceX Falcon 9火箭 將向美國國家偵察局發射保密的太空飛行器有效載荷。名為NROL-108的任務 將從佛羅裡達的卡納維拉爾角空軍基地起飛。還計劃於1月發射: 在2019年12月部分失敗後,聯合發射聯盟的 Atlas V火箭 將在其第二次無人飛行任務中向國際空間站發射 波音的CST-100 Starliner太空飛行器。
  • 長徵八號遙一火箭垂直轉運至發射區,本月底擇機發射
    長徵八號遙一火箭垂直轉運至發射區,本月底擇機首飛 澎湃新聞記者 謝瑞強 通訊員 張未 2020-12-16 11:04