明明直線最近,為什麼火箭發射的軌跡偏偏是弧線呢?

這是SpaceX火箭發射的照片。

SpaceX發射的火箭

你會看到火箭的發射曲線是一條弧線，而不是路程更近的直線，顯然，從「兩點之間直線最近」這一角度出發，並不合理，但很多時候，顯示並不如數學所描繪的世界那麼完美。彎曲的軌跡是火箭軸線運動和空氣動力學相互作用的結果。所以問題出現了:

為什麼要有彎曲的發射軌跡？

首先，直接發射火箭是沒有意義的。如果真的這樣，火箭會直著上去，直著下落，此乃所謂直上直下。

火箭需要進入軌道。這意味著需要一個垂直於半徑矢量的速度分量，即水平速度。火箭在飛行過程中的傾斜會增大水平速度分量。在這種情況下，地球的旋轉速度也是有幫助的。眾所周知，地球在赤道上的自轉速度最大，因而當火箭從赤道發射時，火箭將獲得更大的水平初速度，節省燃料。

地球自轉速度

因此各國都力爭在離赤道更近的地方（低緯度地區）建立火箭發射基地，比如我國的海南文昌火箭發射基地和位於美國東海岸佛羅裡達州卡納維拉爾角的卡納維拉爾角發射場，設在西海岸加利福尼亞州的范登堡空軍基地。前者包括美國空軍的東靶場和甘迺迪航天中心，承擔了大部分「美國火箭」的發射任務。我國的海南文昌火箭發射基地剛建成沒幾年，而且遠離火箭製造工廠，因此火箭發射任務次數較少。

那麼我們如何在彎曲的路徑上發射呢？

這裡的紅點描繪了火箭。你需要有足夠大的V⊥，使火箭保持向地球墜落的狀態，並能夠維持軌道。

從上圖可以理解下落的狀態。每次嘗試後都會以更快的速度發射球。從甲、乙、丙開始……如果你想呆在那裡繞地球轉，速度必須等於軌道速度。

火箭發射後，助推器持續燃燒，直到在軌道上的某一點達到燃盡點。一旦達到這一點，軌道將以0°的飛行路徑角度(半徑矢量和速度矢量之間的角度)進行。整個過程通常分兩階段進行。第一階段點火升空，運載工具清除發射塔，在此之後不久，滾動程序開始進行方位角修正和正確的軌道插入。一旦一級火箭達到燃盡點，一級分離，二級點火。點火一直持續到火箭進入到預定軌道環繞地球並穩定運行，這時火箭發射任務才算圓滿完成，當然接下來還會有一系列的挑戰在後面等著。

所以，曲線軌道的意義是通過獲得水平速度進入預定軌道。

衛星受力分析

箭頭表示力的方向

為了進入軌道，飛船必須克服重力及空氣阻力的共同影響，同時達到很高的速度離開地球。

這在大約100公裡以下是不可能的，因為空氣阻力甚至會使流線型飛行器減速過快。但是在這條線(稱為卡門線)上方，飛行器可以加速到足夠的速度(大約每秒7公裡)，在發動機熄火後，它將以同樣的速度在太空中運行。

「卡門線」是以美國航空航天力學專家西奧多·馮·卡門（Theodore von Kármán）的名字命名，我國著名的科學家錢學森先生在加州理工大學學習時就是他的學生。「卡門線」的海拔高度——也即高於地球海平面的高度——是100千米。「卡門線」的定義被國際航空聯合會（Fédération Aéronautique Internationale，簡稱FAI）接受，它是國際航空航天標準制定和記錄保存的機構，「卡門線」現在是通用的國際定義。

在低軌道上，衛星仍然感覺到地球重力的97%(隨著距離的增加，重力會變弱)。這意味著在1秒鐘內，它將下降約4.75米。

由於這個原因，運載火箭將總是垂直上升到軌道，只是在這個早期階段稍微改變它的俯仰角，以清除發射複合體(以及任何你不想讓它著陸的東西，如果它爆炸失敗的話)，直到一個預定的點，在那裡它可以集中精力更有效地獲得相對於地球的水平速度。

另一個原因是實現軌道速度的火箭推進實際上效率很低。很少有超過由有效載荷組成的整個發射系統總質量的4%，絕大多數質量是運載火箭的結構質量和燃料質量(兩個例子，液氧/煤油和液氧/液氫)，這是獲得想要的有效載荷所必需的。

火箭起飛後會向地球自轉方向傾斜，並逐漸增加傾斜幅度，直到它的垂直速度分量為零，進入一定軌道，最好攜帶的燃料是剛剛「物盡其用」。這種優化太空飛行器軌跡以使其達到所需軌道的技術稱為重力轉向（Gravity Turn）或零升力轉向（Zero-lift Turn）。

這項技術的應用有兩個好處：

第一，它讓火箭在上升的早期階段保持非常低或甚至零的攻角（英文angle of attack，是航空術語，指飛行物體所受升力方向矢量與縱軸之間的夾角），這意味著火箭受到較少的空氣動力應力；

第二，它讓火箭利用地球的重力而不全是燃料燃燒提供能量來改變火箭（及攜帶的太空飛行器）飛行的方向。這兩點節約下來的燃料可以用來更多的進行水平加速，使太空飛行器更容易進入軌道。

如果你直接向上發射火箭，它會直接向後墜落。這種火箭被稱為探空火箭，因為它有助於讓儀器短暫到達高空進行讀數(探空)，但僅此而已。探空火箭不需要太大，甚至納粹V2早在1946年就被用來從太空拍攝地球。

探空火箭目前多為民用

火箭進入太空時，在我們最容易看到的路徑上垂直飛行，這是最開始的時候，但是隨著高度的增加，它們會轉向，直到水平飛行。為了獲得穩定的軌道，飛船需要相對於地球表面非常高的速度，所以在正常發射中，火箭實際上將花費相當多的燃料「水平」推進。