火箭沒有送佛送到西！中國「星堅強」是如何獨自爬升2萬公里的？

出品：科普中國

製作：寒木釣萌

監製：中國科學院計算機網路信息中心

《中國「星堅強」獨自爬升2萬公里，到達3.6萬公里預定軌道》,第一眼看到類似的新聞標題時，不少網友最初的反應是：

「這小編實在是粗心！我們可都是爬過樓爬過山的男子！爬升2萬公里，哪那麼容易？」

「如果一顆小小的衛星都能自個兒爬高2萬公里，那還要火箭作甚？那些近地軌道的衛星距離地面也才幾百到兩千公里！你瞧它們哪一個是衛星自個兒蹦上去的？」

然而「星堅強」沒騙大家，它確確實實爬高了2萬公里。現在的問題是：

它如何做到的？

又是怎麼爬的？

「星堅強」其實是火箭的最末級

多級火箭優勢明顯！就好比，沙僧背著八戒去爬山，爬到半山腰時，沙僧用最後一口氣叫醒了在他背上熟睡的八戒。

「嗨！醒醒！到你了！」

八戒揉揉睡眼，從沙僧背上跳下來後，他彎腰佯裝要背沙僧，可沙僧剛撲上去時，八戒卻像馬兒一樣，向後彈起一腿……

在沙僧墜落懸崖的慘叫聲中，八戒輕裝上路，最終，他爬到了峰頂。

此為二級火箭！

如果是三級火箭，則可能是悟空將八戒踢下懸崖。如果是四級火箭，那麼能一覽眾山小的只有小唐同學。

搭載「星堅強」的長征三號乙運載火箭為三級，此時，自帶燃料的「星堅強」，你可以將它看成是火箭的「第四級」。

因此，並非「星堅強」有多強，而是它的燃料只用來推進它自己，如此輕裝，當然能爬得更高。

總之，多級火箭的特點是，後一級都比前一級蹦得更高。

牛頓說：如果我看得更遠一點的話，那是因為我站在巨人的肩膀上。

星堅強說：我爬得更高，那是因為我站在牛頓的肩膀上。

霍曼轉移軌道

「星堅強」能成功登頂，這跟它走了一條相對節約燃料的大道分不開，這就是霍曼轉移軌道。

想像一個畫面，一隻大雁與殲20在同一個高度下比翼雙飛，但殲20嗖一下就不見了蹤影，而大雁幾乎還楞在原地扇翅膀。這就是說，在地面附近的同一高度下，不同的飛行器可以有不同的速度。

然而，太空中的衛星則不同，只要兩顆衛星所在的軌道高度相同，則它們的軌道速度必相同。規律就是，距離地面越高，速度越小。如下圖：

衛星的軌道速度與衛星的質量無關，例如，1萬公里高的太空，有顆衛星重如泰山，另一顆衛星輕如鵝毛，但是，這兩顆衛星的軌道速度是相同的——都是4.9公里/秒。

衛星繞地球高速運動會帶來一個離心力，同時地球對衛星有引力，當離心力與引力相等時，衛星便能長期環繞下去了。

而距離地面越近，地球對衛星的引力越大，此時，只有衛星的軌道速度很大才能帶來更大的離心力，如此才能抵消。

現在，咱們開始說霍曼轉移軌道。

所有衛星的軌道都是橢圓軌道，只不過有的很「橢」，而有的不是那麼「橢」。為便於說明，我們先從圓軌道開始說起。

如上圖，軌道高度為h的圓軌道，h等於400公里。假設「星堅強」所在的位置為P1點，此時，如果「星堅強」突然發力(發動機點火)，並讓它的速度增加了0.1公里/秒，那麼，「星堅強」將何去何從？

答案是，「星堅強」所在的圓軌道將會變成橢圓軌道。

如上圖，在近地點P1時，「星堅強」開啟發動機，速度增加0.1公里/秒後，它的軌道變成了橢圓軌道，近地點還是距離地面400公里，而遠地點距離地面卻是750公里了。

給人的感覺是，「星堅強」一下子爬高了350公里，然而，此時的350公里還是一種「虛高」，因為近地點依然是400公里。

該怎樣做，才能讓「星堅強」貨真價實地提升350公里高度？不難，當「星堅強」運行到遠地點P2時，再次發力，速度進一步增加。則， 「星堅強」就能將這個橢圓軌道變成一個更大的圓軌道了，這就等於「星堅強」爬升了350公里高度——此為利用霍曼轉移軌道爬高的全過程。

如下圖：

上圖中，「星堅強」最初在P1點，它加速後，變成橢圓軌道（紅線和黑虛線組成的橢圓），「星堅強」沿著紅線部分的軌跡爬到P2點時，它再次加速，於是「星堅強」得以從橢圓軌道變成大圓軌道，並提升350公里高度。

上圖中的紅色路徑即為霍曼轉移軌道。而黑色的虛線路徑，「星堅強」實際上並沒有走。當然，它也可以來來回回不厭其煩地走，只是這樣就浪費時間了。

可以看到，如果是利用霍曼轉移軌道爬高，則「星堅強」只開啟了兩次發動機，相對來說節約燃料。重複此步驟，「星堅強」便能步步等高。

GIF/295K

關於「霍曼轉移軌道」的其他疑問

不少網友可能會問，既然前面說了，衛星距離地面越近，其軌道速度就越快。而「星堅強」在P1點和P2點都發力加速，按理，「星堅強」的速度是提高了的，如此，「星堅強」的軌道應該更靠近地面才是……

應這樣去理解：「星堅強」在P1點提高了速度，而速度增大後，離心力也增大，於是它具有了逃離地球引力的趨勢，正是靠著「這股勁」，它爬升了P2點，若此時「星堅強」沒發力，它將持續運行在紅線和黑虛線組成橢圓軌道中。

GIF/18K

而在這個橢圓軌道里，「星堅強」在近地點的速度依然是大於遠地點速度的。這跟上文說法吻合。

另外，當「星堅強」將自己400公里高的圓軌道，提升到750公里高的大圓軌道後，此時大圓的軌道速度依然是小於原先小圓軌道速度的。沒錯，「星堅強」是開啟了兩次發動機，並兩次讓自己的動能增加了，但這個動能最終拿去換高度了。

新聞里說，「星堅強」耗時16天，10次重新點火變軌，從而讓自己爬高2萬公里。此過程，你可以理解成「星堅強」走了數次霍曼轉移軌道。

運載火箭沒有「送佛送到西」，這種事我國和其他國家以前都出現過。但像「星堅強」這樣，剛送到吐魯番就被扔下的，在我國還是第一次。

「科普中國」是中國科協攜同社會各方利用信息化手段開展科學傳播的科學權威品牌。

本文由科普中國融合創作出品，轉載請註明出處。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！