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问题来了:为什么火箭没有横向发射的?

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,或者找一高地然后像牛顿大炮那样横向发射呢?

牛顿大炮示意图-1

牛顿大炮示意图-2

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。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。

上图为画家绘制的设置在月球上质量投射器想像图。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。

上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速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。

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。

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。

两种发射方式经过的大气层路程对比。飞马座火箭,一个特例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。

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

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。

上图为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。

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