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為什麼火箭不橫向發射?

所有人都清楚,衛星都是繞地球轉圈圈的,但所有人看到的是,發射衛星時,火箭都是垂直發射的。不少人,包括以前的我,很是疑惑,為什麼火箭不能像導彈那樣斜著發射,或者找一高地然後像牛頓大炮那樣橫向發射呢?


為什麼火箭不橫向發射?牛頓大炮示意圖-1


為什麼火箭不橫向發射?牛頓大炮示意圖-2

為什麼火箭不橫向發射?牛頓大炮示意圖-3


初始速度是一個原因


為什麼火箭不橫向發射?斜著發射的導彈


運載火箭不能像導彈那樣斜著發射,這是因為——那會掉在地上!在電視直播衛星發射的時候,我們很容易看到,運載火箭的初始速度是很慢的,多年前筆者還誤以為,火箭的初速度怎麼會那麼慢呢?這一定是電視台為了讓觀眾看清楚,看得爽,所以設置了慢鏡頭,一定是的!直到有一次,遇到一個經常在火箭發射現場的朋友,他說,是的,火箭發射時,初速度就是那麼慢,不是啥慢鏡頭

所以,問題來了,火箭這麼慢的初始速度,你讓它像導彈那樣斜著發射,或者像牛頓大炮那樣水平發射,那只會有一個結果,一頭栽在地上。


月球上的情況


初始速度低,這並不是難以解決的問題,只要加大初始推力,運載火箭當然也能像導彈似的斜著發射。那麼,為什麼不設計這樣的運載火箭,讓它也能斜著發射呢?


答案是,就算把火箭的初始速度大幅度提高,然後像導彈似的斜著發射火箭也是不合理的。具體原因,待會兒說,咱們先來看看月球上的情況。


假如月球上已經建立有人基地,並有強大的工業能力,那麼,從月球發射飛船到地球,或者把物資拋送到地球,怎麼發射,怎麼拋送才最經濟?恐怕莫過於用質量投射器了。

為什麼火箭不橫向發射?畫家繪製的設置在月球上質量投射器想像圖


質量投射器只是一個名字而已,其原理不外乎跟磁懸浮列車、電磁炮或者航母上的電磁彈射器類似。利用斥力,讓飛船或者物資無接觸地懸浮在軌道上,接著借用電磁炮類似的原理,用強大的電磁力把飛船加速到一個很高的速度發射出去。


為什麼火箭不橫向發射?月球上的質量投射器想像圖


在月球上,使用質量投射器有巨大的優勢,首先,月球的環繞速度只有1.32km/s,也就是說只要達到這個速度就能成為繞月飛行的衛星了;而月球的逃逸速度只有2.38km/s,只要達到這個速度,就可以逃離月球,直奔地球而去。相比地球7.9km/s的環繞速度和11.2km/s的逃逸速度。從月球上水平發射火箭實在是要容易得多,廉價得多。


另一個非常重要的原因是,月球上沒有大氣,不存在因為初速度太高而遭遇很強的大氣阻力這種情況。

綜上所述,從月球上發射火箭或者飛船,斜著發射或者水平發射都是沒有多大問題的,如果採用質量投射器,那簡直是帥爆了。


可是,在地球上就不同了,地球有濃密的大氣層,火箭發射時,除了要抵抗強大的地球引力,還要克服濃密大氣對火箭的重重阻力。


為什麼火箭不橫向發射?2010年,宇宙神-5型運載火箭高速爬升時,對大氣產生強烈的衝擊作用,照片中可看到壯觀的類似漣漪的現象。


因此,垂直發射,盡量以最短的距離和最快的時間衝出濃密大氣,然後再調整方向,橫向加速,這才是比較經濟的做法。

為什麼火箭不橫向發射?這張長時間曝光的圖片記錄了三角洲II型火箭推送NASA的OCO-2衛星進入地球軌道的長長軌跡,從距離發射點200千米處拍攝。空中的其他短長條是星軌。


假設斜著或水平發射,無疑,火箭將穿越更長的濃密大氣,這得不償失。


為什麼火箭不橫向發射?兩種發射方式經過的大氣層路程對比。


飛馬座火箭,一個特例


雖然從地面發射場水平發射不太經濟,但這不代表不可以從其他地方水平發射,比如美國的「飛馬座「火箭就多次從飛機上拋出,水平點火前進一段時間,然後才開始爬升。


為什麼火箭不橫向發射?飛馬座火箭是一種小型的有翼運載火箭,負責把443公斤以下的衛星運載到低軌,因為體積和質量都比較小,所以它可以從飛機上發射入軌,不需要地面發射場


為什麼火箭不橫向發射?飛馬座火箭從飛行高度可達15000米的「B-52」同溫層堡壘轟炸機上拋出,水平發射。


在高空發射火箭的一個好處是,因為是在大氣層中的平流層發射,所以可以避免因地面氣候原因而帶來的影響,像前段時間的獵戶座飛船,就因為天氣等原因幾次推遲發射。另一個更大的好處當然是火箭點火前就具有了飛機所賦予它的0.8倍音速,以及十幾千米的高度。


雖然飛馬座火箭初始狀態是水平點火發射,但其實只是一個較短的時間而已,接下來其主要的工作還是要爬升,以便儘快衝出大氣層。


為什麼火箭不橫向發射?飛馬座火箭飛行軌跡(點擊查看大圖)


電視直播時,火箭都是垂直向上的,這給不少人帶來一個誤解,認為火箭始終都是垂直向上,實際上不是,火箭發射軌道包括垂直起飛段、程序轉彎段和入軌段。垂直起飛只是我們最經常看到的一個階段而已。


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