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上过初中的肯定都知道 , 两点之间直线段最短 。 可纵观世界上所有的航天发射 , 不管是发射卫星 , 还是发射载人飞船 , 运载火箭在送这些航天器进入太空时都要拐弯兜圈圈 , 这是为什么?难道是运载火箭的推力不够?
就拿长征5号火箭来说 , 这枚火箭的推力可以将14吨重的航天器送到地球同步转移轨道 。 若是发射更小质量的卫星 , 必然能够将其送到离地面更远的轨道上去 。 可为什么几乎没有航天发射会采用这种“竖直向上”的发射方式?
不管是啥发射任务 , 运载火箭的飞行轨迹 , 基本上都是下图这个样子 。 火箭从地面升至高空 , 一路上火箭的轨迹会逐渐倾斜 , 最终飞行轨迹几乎与地面平行 , 然后消失在我们的视野中 。
采用这种竖直向上的方式发射航天器 , 只有三种结果 。
1 , 火箭动力足 , 直接让航天器摆脱了地球的引力 ,然后一直飞下去 , 直到被其他天体的引力所捕获 。 航天器要脱离地球的引力束缚 , 所需要的最小初始速度为11.2千米每秒(这被叫做第二宇宙速度) 。
2 , 另一种就是航天器刚好飞到了拉格朗日点 , 并停了下来 。 拉格朗日点是两个天体间的引力平衡点 , 理论上任意两个天体之间都存在5个拉格朗日点 , 但通常只有两个是最稳定的 。 在地球附近 , 离地球最近的地月拉格朗日点距离地球6.5万公里 , 而最近的地月拉格朗日点距离地球150万公里 。
3 , 火箭动力不足 , 航天器无法摆脱地球的引力 , 在地球引力加速度的作用下 , 最终还是会落回地面 。
大多数情况下 , 我们发射的都是环绕地球运动的航天器 。 若采用这种“竖直向上 , 一杆子到顶”的方式发射航天器 , 就算火箭的推力够大 , 能够将航天器一下子就送到预定轨道高度 , 它最终也会地球引力的影响下掉下来 。
要想克服地球引力的影响 , 就必须给航天器一个切向速度 , 从而产生离心力 , 抵消地球的引力 , 使航天器绕着地球做圆周或者椭圆运动 。 所以火箭在发射的时候才要拐弯 , 火箭的飞行轨迹也是一个弧形 。 因为只有这样飞才能给航天器施加一个切向速度 。
其实 , 火箭将航天器一竿子送到目的地也是可以的 。 如果没有火箭提供的切向速度 , 那么就必须依靠航天器自己的动力产生一个切向速度 。 可这样做需要携带大量的燃料 , 势必会增加航天器的质量 , 航天器质量变大了 , 运载火箭的推力也要弄得更大 , 运载火箭也需要消耗更多的燃料 。
当然 , 这样做除了省燃料 , 也是因为现有火箭的推力并不大 , 很难将航天器一下子送入高轨道 。 就算能这样做 , 也并不划算 。
航天器都是在地球上空沿着地球大圆环绕地球运动 , 轨道平面必过地球中心 。 而环绕地球运动的航天器的轨道种类有很多 。
按轨道高度可以分为低轨道(近地轨道)、中轨道和高轨道 。 高低轨道并没有严格的划分 , 一般高度在1000公里以下的都被称为近地轨道或者低轨道 。
轨道高度越高 , 航天器的运行速度也就越慢;轨道越低、越接近地面 , 所需要的运动速度就越快 。 如果航天器想贴着海平面飞行而不掉下来 , 它的速度必须要达到7.9千米每秒(第一宇宙速度) , 这也是航天器环绕地球运动所能达到的最大速度 。
轨道高度为3.6万公里时 , 航天器的运行周期和地球的自转周期相同 , 这种轨道叫地球同步轨道 。 如果地球同步轨道的倾角为零 , 航天器正好沿着地球赤道飞行 , 这种轨道叫对地静止轨道(或地球静止轨道) , 它是地球同步轨道的特例 , 只有一条 。
按轨道倾角则可以分为赤道轨道、极地轨道和倾斜轨道 。 其中 , 赤道轨道倾角为0度 , 轨道平面与地球赤道平面重合;极地轨道倾角为90度 , 轨道平面与地球赤道平面垂直 , 航天器会飞跃南北两极上空;而倾斜轨道的倾角既不是0度也不是90度 。
如果按照航天器是否顺着地球自转方向飞行 , 又有顺行与逆行之分 。
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