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航天和航空的区别是什么,为什么火箭可以升空

来源:整理 时间:2022-04-05 04:04:39 编辑:游戏知识 手机版

通常说火箭和探测器都是分开说,其实火箭可以离开探测器而独自飞行,探测器却无法脱离火箭。火箭可以垂直飞行,火箭需要将飞行器送入轨道,如果一直垂直于地面飞行,到轨道后探测器水平方向速度为0,如何绕地球运行?所以火箭起飞后会转向,斜着向上飞。

什么火箭是沿着弯曲的轨迹升空?

为什么火箭是沿着弯曲的轨迹升空

这是SpaceX火箭发射的照片。你会看到火箭的发射曲线是一条弧线,而不是路程更近的直线,显然,从“两点之间直线最近”这一角度出发,并不合理,但很多时候,显示并不如数学所描绘的世界那么完美。弯曲的轨迹是火箭轴线运动和空气动力学相互作用的结果。所以问题出现了:为什么要有弯曲的发射轨迹?首先,直接发射火箭是没有意义的。

如果真的这样,火箭会直着上去,直着下落,此乃所谓直上直下。火箭需要进入轨道。这意味着需要一个垂直于半径矢量的速度分量,即水平速度。火箭在飞行过程中的倾斜会增大水平速度分量。在这种情况下,地球的旋转速度也是有帮助的。众所周知,地球在赤道上的自转速度最大,因而当火箭从赤道发射时,火箭将获得更大的水平初速度,节省燃料。

因此各国都力争在离赤道更近的地方(低纬度地区)建立火箭发射基地,比如我国的海南文昌火箭发射基地和位于美国东海岸佛罗里达州卡纳维拉尔角的卡纳维拉尔角发射场,设在西海岸加利福尼亚州的范登堡空军基地。前者包括美国空军的东靶场和肯尼迪航天中心,承担了大部分“美国火箭”的发射任务。我国的海南文昌火箭发射基地刚建成没几年,而且远离火箭制造工厂,因此火箭发射任务次数较少。

那么我们如何在弯曲的路径上发射呢?这里的红点描绘了火箭。你需要有足够大的V⊥,使火箭保持向地球坠落的状态,并能够维持轨道。从上图可以理解下落的状态。每次尝试后都会以更快的速度发射球。从甲、乙、丙开始……如果你想呆在那里绕地球转,速度必须等于轨道速度。火箭发射后,助推器持续燃烧,直到在轨道上的某一点达到燃尽点。

一旦达到这一点,轨道将以0°的飞行路径角度(半径矢量和速度矢量之间的角度)进行。整个过程通常分两阶段进行。第一阶段点火升空,运载工具清除发射塔,在此之后不久,滚动程序开始进行方位角修正和正确的轨道插入。一旦一级火箭达到燃尽点,一级分离,二级点火。点火一直持续到火箭进入到预定轨道环绕地球并稳定运行,这时火箭发射任务才算圆满完成,当然接下来还会有一系列的挑战在后面等着。

所以,曲线轨道的意义是通过获得水平速度进入预定轨道。卫星受力分析为了进入轨道,飞船必须克服重力及空气阻力的共同影响,同时达到很高的速度离开地球。这在大约100公里以下是不可能的,因为空气阻力甚至会使流线型飞行器减速过快。但是在这条线(称为卡门线)上方,飞行器可以加速到足够的速度(大约每秒7公里),在发动机熄火后,它将以同样的速度在太空中运行。

“卡门线”是以美国航空航天力学专家西奥多·冯·卡门(Theodore von Kármán)的名字命名,我国著名的科学家钱学森先生在加州理工大学学习时就是他的学生。“卡门线”的海拔高度——也即高于地球海平面的高度——是100千米。“卡门线”的定义被国际航空联合会(Fédération Aéronautique Internationale,简称FAI)接受,它是国际航空航天标准制定和记录保存的机构,“卡门线”现在是通用的国际定义。

在低轨道上,卫星仍然感觉到地球重力的97%(随着距离的增加,重力会变弱)。这意味着在1秒钟内,它将下降约4.75米。由于这个原因,运载火箭将总是垂直上升到轨道,只是在这个早期阶段稍微改变它的俯仰角,以清除发射复合体(以及任何你不想让它着陆的东西,如果它爆炸失败的话),直到一个预定的点,在那里它可以集中精力更有效地获得相对于地球的水平速度。

另一个原因是实现轨道速度的火箭推进实际上效率很低。很少有超过由有效载荷组成的整个发射系统总质量的4%,绝大多数质量是运载火箭的结构质量和燃料质量(两个例子,液氧/煤油和液氧/液氢),这是获得想要的有效载荷所必需的。火箭起飞后会向地球自转方向倾斜,并逐渐增加倾斜幅度,直到它的垂直速度分量为零,进入一定轨道,最好携带的燃料是刚刚“物尽其用”。

这种优化航天器轨迹以使其达到所需轨道的技术称为重力转向(Gravity Turn)或零升力转向(Zero-lift Turn)。这项技术的应用有两个好处:第一,它让火箭在上升的早期阶段保持非常低或甚至零的攻角(英文angle of attack,是航空术语,指飞行物体所受升力方向矢量与纵轴之间的夹角),这意味着火箭受到较少的空气动力应力;第二,它让火箭利用地球的重力而不全是燃料燃烧提供能量来改变火箭(及携带的航天器)飞行的方向。

这两点节约下来的燃料可以用来更多的进行水平加速,使航天器更容易进入轨道。如果你直接向上发射火箭,它会直接向后坠落。这种火箭被称为探空火箭,因为它有助于让仪器短暂到达高空进行读数(探空),但仅此而已。探空火箭不需要太大,甚至纳粹V2早在1946年就被用来从太空拍摄地球。火箭进入太空时,在我们最容易看到的路径上垂直飞行,这是最开始的时候,但是随着高度的增加,它们会转向,直到水平飞行。

为什么卫星大多数都在晚上发射升空?

为什么卫星大多数都在晚上发射升空

我来回答下这个问题其实注意观察近几年的卫星发射时间,就会发现它们大部分都在年底的深夜。很多人就有疑问了,晚上那么黑,方便吗?难道白天天气好的时候发射不是更有利于观测?其实在晚上发射是很有讲究的。因为运载火箭啊,它装的东西不能太多,所以说电池肯定也是有限制的,当卫星飞到数万千米的高空时,太阳正好以最大的夹角照在1万多块太阳能蓄电池上,使太阳能电池接替蓄电池工作,这样卫星就获得了取之不尽的能源。

但是如果不在晚上发射卫星,卫星上天后就不能以最佳角度接受太阳能源,卫星也就无法进行正常工作了。还有一个原因,就是为了让地面的光学跟踪测量设备捕捉到跟踪目标。那这个道理也是一听就懂的,在漆黑的夜空中,喷射着火焰向太空飞行的运载火箭非常显眼和突出。为什么有的卫星在前半夜发射,而有的卫星在后半夜发射呢?这与发射的卫星的类型、设定的轨道以及它与地球的距离有关。

我国的“风云二号”气象卫星轨道高度是35800千米,发射时间选在晚上8时多,“神舟”号飞船的轨道高度更高些,它的发射时间就定在凌晨1时。因为卫星的高度高,接受太阳最大角度照射的时间就可提前些,太阳能电池的功能也就可以造发挥作用那么,寒冷的冬季发射火箭的原因是什么呢?因为飞船上天后,要由我国的航天测控网对飞船实施测控管理和回收。

这个测控网由好几个在我国大陆上的国内测控站、国外测控站和我国的四艘“远望”号远洋航天测量船组成。因为南半球没有测控点,所以这个任务只能由四艘远洋测量船来完成,而南半球气候条件比较稳定的就是夏季,大洋上风浪也要小些,为了便于远洋测量船监控和工作,为此,“神舟”号飞船的发射时间就选择在与南半球相反的秋冬季节。

火箭发射为什么看上去就像飞机一样斜的飞而不是垂直升空呢?

火箭发射为什么看上去就像飞机一样斜的飞而不是垂直升空呢

火箭可以垂直飞行,但是火箭需要将飞行器送入轨道,如果一直垂直于地面飞行,到轨道后探测器水平方向速度为0,如何绕地球运行?所以火箭起飞后会转向,斜着向上飞。通常说火箭和探测器都是分开说,但是其实火箭可以离开探测器而独自飞行,探测器却无法脱离火箭。探测器自身一般体积受限,无法携带足够的燃料,携带的一点燃料通常用于在轨道上的机动变轨,所以探测器需要火箭运送,火箭在飞行的过程中,随着两三级火箭的脱落,最后星箭结合体到达轨道附近,速度也接近第一或者第二宇宙速度,这时没了动力探测器也能维持在轨道上了。

而轨道总是绕地球的椭圆形,你说火箭是垂直飞好还是斜着飞好?卫星等设备之所以需要一定的速度,是因为只有达到某一速度才能绕地球运行。根据牛顿定律,只有当飞船沿地球表面切线方向的速度达到第一宇宙速度,探测器才能沿着地球切线做平抛运动,受地球引力的影响,动能和势能相互转化,结果刚好使卫星的轨道使椭圆,有近地点远地点,近地点和远地点之间势能和动能的转换维持着卫星的无动力运行。

所以火箭的斜着飞是故意设计的,每个火箭发射的时候,最初都是垂直地面的,然后需要调整姿态,以便最终把探测器或者卫星送入环形的轨道,这才是火箭的意义,只有火箭的话,它垂直飞也无所谓啊,可到了某一高度燃料燃尽,而水平的速度为零,那就不能像是平抛运动一样,而是受地球引力的作用坠向地球。此前我国发射了长征五号,一次性地将天问一号送入了轨道,网上视频很多,刚开始的时候火箭是垂直飞行的,过了不久就机动转弯然后斜着飞,从文昌的方向斜着向太平洋上空飞去,值得注意的是火箭飞行参数的变化。

天问一号是要进行火星探测的,所以要脱离地球的轨道,需要靠火箭将其加速到第二宇宙速度,但是长征五号在脱离助推等芯级后,最后星箭结合体快到轨道的时候,关闭了发动机,进入了等待轨道,此时星箭结合体已经接近但尚未达到第二宇宙速度(如图,只达到9.7公里),星箭结合体靠着惯性继续斜向上飞速度稍稍降落,到达入轨点附近的时候星箭结合体再次点火,将探测器送到了预定点位,速度也达到预定速度,也就是第二宇宙速度,这样探测器才得以脱离地球束缚向着火星奔去。

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