为什么火箭是沿着弯曲的轨迹升空?

你注意到有关火箭升空路径的一个有趣的现象吗:火箭是沿着弯曲的轨迹升上天空,而并非是直线。这张图并不是错误的,相同的事情发生在火箭发射的每一个图片和视频中。这看起来似乎没有道理啊,火箭不是要升入天空吗?所以为什么不是直线上升,而是沿着一条抛物线呢?直线上升不是会更快到达吗?——这应该有某种原因,因为火箭科学家可是相当聪明的。

简短地说:因为火箭想使用尽可能少的燃料进入地球轨道。

为什么火箭垂直发射?

在空间技术的背景下,火箭是可以将人和物品送入太空的交通工具。理论上,它可以像一架飞机从跑道起飞,但这将需要改变许多当前的火箭设计,这种做法相当不经济。

火箭拥有强大的发动机,使其具有巨大的向上推力,从而火箭能垂直起飞。发射后,火箭的爬升开始比较缓慢;但在爬升第一分钟之后,火箭速度达到惊人的1609公里/小时。

在空中飞行时,火箭由于空气阻力而失去了大量的能量,并且需要确保在其大部分燃料用尽时达到足够高的高度。这就是为什么火箭最初飞得很快,因为它需要在尽可能小的距离内穿过大气层最厚的部分。

为什么发射后火箭改变轨迹角度?

关于火箭轨迹的许多误解源自一个共同的假设:火箭只是想摆脱地球的引力并到达“太空”——虽然这在技术上并非错误,但这不够明确。

首先,你应该明白,太空并不是很远。如果你在高于地球上方100公里的地方飞行,那就已经是“在太空”了。如果你的飞行高度超过80公里,你就会获得“宇航员”的称号。跳伞运动员费利克斯·鲍姆加特纳(他拥有不用药物辅助、最高的垂直自由跳伞的记录)以 “太空跳跃”而著名,即使他只是从39公里的高度跳跃。

因此,火箭并非只想到达“太空”火箭真正想做的是进入地球的“轨道”,实际上它们可以使用更少的燃料。

让火箭进入轨道

大多数火箭的主要目标是到达地球的轨道,并停留在那里。在地球的轨道上,地球引力足够高到使火箭不会漂到外太空。并且地球引力也足够低,使得火箭不必消耗大量的燃料。

为了进入轨道,火箭升空后开始倾斜,并逐渐增加这个倾斜角度,直到它到达绕行地球的椭圆轨道。话虽如此,达到一个合适的轨道是不容易的,要以牺牲大量燃料为代价,获得令人难以置信的水平速度——28968公里/小时(约每秒8公里)。这种优化航天器的轨迹,以使其获得所需轨迹的技术称为重力转弯或零升力转弯。

这种技术提供了两个主要的好处:第一,它使火箭在其上升的早期阶段保持非常低的或甚至零迎角,这意味着火箭经受更少的空气动力学阻力。 另一个好处是,它使火箭使用地球的重力,而不是自己的燃料,改变其方向。火箭因此节省的燃料可用于水平加速,以达到高速,并且更容易进入轨道。

简而言之,如果想要进入地球轨道,火箭必须在发射后将其轨迹弯曲。如果火箭不这样做,而是继续垂直上升,它将会到达一定高度后耗尽燃料,而且很有可能最终像石头一样落回地球。

文章首发:怪罗网

  • 发表于 2017-02-27 00:00
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