空少问答
小课堂
第八十二期
7
月
23
日
周
一
答：为什么火箭发射后沿着弯曲的轨迹上升？
上周六，空少为大家留了1个问题，来看看空少的解答以及从留言中选出的最佳答案吧！
想要查看原问题背景介绍的朋友们可以点击《问：为什么火箭发射后沿着弯曲的轨迹上升？》~下面就让我们来看看空少的解答吧！
空少正解
上期我们讲到，火箭发射卫星和航天器虽然是垂直竖立起来发射，但是并没有沿着垂直向上的方向不断上升进入太空。这张火箭发射后的上升轨迹是这个样子的：
火箭发射后弯曲的上升轨迹
这似乎没有道理。火箭发射的目的是把卫星、航天器带着、克服地球引力进入太空，而地球的引力总是指向地心的，也就是垂直向下。所以，如果火箭直接垂直直线发射，这不是更快吗？
所以，为什么火箭发射后沿着弯曲的轨迹上升呢？
首先，对大部分的火箭来说，目的地“太空”、“宇宙空间”，并不是那么遥远。通常我们用一个叫做“卡门线”（Kármán line）的位置来界定太空。“卡门线”的海拔高度——也即是高于地球海平面的高度——是100千米。“卡门线”是以美国航空航天方面的力学专家西奥多·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，故而“卡门线”现在是通用的国际定义。
“宇宙空间”的范围并不高。对很多航天发射任务来说，“只”需要把航天器、卫星送到几百公里的高度，例如国际空间站的海拔高度是400千米。
垂直起飞的火箭带着航天飞机上天
另一方面，“克服重力”不是火箭的唯一任务。航天发射需要火箭把航天器、卫星送进绕地球旋转的轨道，也即是说它们还有非常快的水平速度。正因为它们以一定的速度做圆周运动，地球对航天器、卫星的吸引力提供了向心力，所以速度不能太快不然重力拉不住航天器、卫星，但也不能太慢不然它们会向地球坠落。
为了进入轨道，火箭起飞开始后逐渐倾斜到其一侧，并逐渐增加倾斜幅度，直到它达到椭圆轨道围绕地球，最好携带的燃料是刚刚好“物尽其用”。这种优化航天器轨迹以使其达到所需路径的技术称为重力转向（Gravity Turn）或零升力转向（Zero-liftTurn）。
这项技术提供了两个好处：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是它自己的燃料来改变火箭（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。
火箭利用重力转向逐渐进入轨道
简而言之，如果火箭想要进入地球轨道，它必须在发射后弯曲它的轨道。如果它坚持直行，尽管越往高处引力越小，但最终会在燃料耗尽后逐渐减速，就好像我们往天上扔石头一样，速度到0后重新下落。
留言区·精选
@ 飞天
第一，火箭发射后沿着弯曲的轨迹上升，可以利用地球自转速度，从而实现节省能量少带推进剂的目的。 第二，卫星入轨后绕着地球做圆周或椭圆轨道运行，弯曲轨道发射可以设计成最终在轨曲线运动的方向。
@ 鼹鼠 为了使有效载荷进入轨道 如果一直垂直发射，除非达到第二宇宙速度，不然就会落回地球 同时，一发射就延弯曲轨迹上升，比达到高度再转向入轨更节省燃料
@ DROP
载荷要入轨呀，进入环绕轨道可是要大大的水平速度的。 但是不能一开始就躺着飞，要先慢慢地飞到空气稀薄的高空再横着加速。 简单火箭玩家日常
感谢大家的支持，我们下期再见！
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