【原】為什么火箭和航天器是垂直發(fā)射的而不是以傾斜發(fā)射？

科學謎航 2020-12-24

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在平時，我們看到有許多的導彈是傾斜發(fā)射的，但是在所有的火箭發(fā)射中，基本都是垂直地面發(fā)射的。

其實導彈將其傾斜是有意義的，因此對于所施加的力，導彈行進的距離最遠。而且，目前導彈的速度足以在世界范圍內(nèi)飛行而不會撞到地面。

其實導彈和火箭的原理非常不同，首先，他們的動力是不同的。導彈是一種以自身動力裝置為動力，由控制系統(tǒng)控制，以目標為導向的武器。而火箭是由火箭發(fā)動機產(chǎn)生的反作用力推動的飛機。航空火箭要求以最快的速度克服地心引力。

它們的成分也不同。導彈由兩個主要部分組成：彈頭和運載火箭。它是真正直接用于戰(zhàn)斗的彈頭。有些導彈在最前面有彈頭，叫做彈頭。彈頭可能含有爆炸物、核武器、化學武器或其他裝置。運載火箭是一種用于向目標發(fā)射彈頭的可控飛行器，由結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、動力裝置系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。運載火箭可以是火箭或其他類型的飛行器。

傾斜發(fā)射為什么不行？

我們先考慮一下如果要完全水平發(fā)射，其實需要一個跑道和輪子或磁懸浮來支撐火箭的重量，直到達到軌道速度。這簡直是不可思議的，這就和飛機一樣了，如果水平發(fā)射將需要更多了路程才能到達軌道速度。但是早期的有些火箭很輕，因此不需要直接向上發(fā)射。它們可以微小的角度發(fā)射，并且由于其重量輕且功能強大的發(fā)動機以極大的加速度推動它們前進，因此無需花費大量時間來建立專用的垂直速度。許多早期的火箭（大多是探空火箭）都使用這種方法。但是像60多度這樣的角度還是非常困難的。

要制造出足以承受大傾斜角度發(fā)射的空氣動力和克服重力的航天火箭，那么這樣的火箭必須攜帶更多的燃料。重型獵鷹火箭的開發(fā)與阿波羅火箭具有相同的大氣阻力結(jié)構(gòu)，但是它沒有尾鰭。不包括鰭片可能與阿波羅號飛船實際上并不需要它們有關(guān)，現(xiàn)代控制系統(tǒng)可以更好地應對空氣動力壓力，而且對于獵鷹火箭的很大一部分飛行中，控制才是最為重要的。

火箭在大氣層中轉(zhuǎn)彎極為危險，因為這會對火箭造成很大的側(cè)向應力。動態(tài)控制的最佳軌跡涉及很多數(shù)學知識，以說明大氣阻力，重力，速度，剩余燃料量和慣性。可以安全有效地添加盡可能多的順風速度，并且在大氣中越高，速度越高，所施加的力越接近水平方向。

垂直飛行計劃源于工程決策

目前的火箭垂直飛行計劃源于工程決策，該決策發(fā)現(xiàn)垂直升空可以使火箭更輕，燃料使用效率更高。在這一點上，這是一個非常有說服力的理由，以垂直之外的其他方式進行發(fā)射的火箭都將無比困難，無論是快速穿越大氣層、還是從結(jié)構(gòu)和設計上，都會有很大的挑戰(zhàn)。

我們的火箭想盡快穿過大氣最厚的部分，火箭必須被快速移動進入軌道中。在這種速度下，他們需要在火箭上實現(xiàn)空氣阻力是很嚴格的。因此，即使火箭最終需要獲得比垂直方向更大的水平速度，但實際上可以節(jié)省燃料以垂直方向發(fā)射并在飛行的第一部分保持相當垂直。

發(fā)射后不久，火箭的機體將經(jīng)歷一個稱為MAX-Q（最大動壓）的點，這是火箭上的最大空氣動力學阻力。許多火箭在接近這一點時實際上會減速，以防止在機身上產(chǎn)生危險的壓力。在發(fā)射幾分鐘后，MAX-Q很快就出現(xiàn)在飛行中。此時，火箭仍處于垂直狀態(tài)，它將試圖進入稀薄的空中。

其實超過最大動壓點時，空氣開始稀薄，即使火箭仍在加速，空氣動力實際上也減小了。火箭可以安全地收回油門，并且隨著動態(tài)壓力持續(xù)降低，它將轉(zhuǎn)向水平方向。該轉(zhuǎn)彎仍然必須輕輕進行?；鸺指哂质荩宰畲蟪潭鹊販p少阻力，但這意味著他們不能在大氣中快速轉(zhuǎn)彎而不撕開自己?；鸺坏┙咏讲⒌竭_高空，便開始以一定的水平速度真正飛行，這就是使它進入軌道的原因。

軌道對于火箭是非常重要的概念。我們可以操縱火箭直奔太空，也可以讓他在軌道環(huán)繞飛行。一旦上升到一定的高度，火箭的路徑就變成曲線了，然后隨著速度越來越大，火箭飛行的半徑就越來越大，最后，當速度超過7.9km/s的時候,火箭就擺脫了地球的束縛了，這個又叫第一宇宙速度。