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?

2021-01-08 科學謎航

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。

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