答：為什麼火箭發射後沿著彎曲的軌跡上升？

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空少問答

小課堂

第八十二期

7

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23

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一

答：為什麼火箭發射後沿著彎曲的軌跡上升？

上周六，空少為大家留了1個問題，來看看空少的解答以及從留言中選出的最佳答案吧！

想要查看原問題背景介紹的朋友們可以點擊《問：為什麼火箭發射後沿著彎曲的軌跡上升？》~下面就讓我們來看看空少的解答吧！

空少正解

上期我們講到，火箭發射衛星和航天器雖然是垂直豎立起來發射，但是並沒有沿著垂直向上的方向不斷上升進入太空。這張火箭發射後的上升軌跡是這個樣子的：

火箭發射後彎曲的上升軌跡

這似乎沒有道理。火箭發射的目的是把衛星、航天器帶著、克服地球引力進入太空，而地球的引力總是指向地心的，也就是垂直向下。所以，如果火箭直接垂直直線發射，這不是更快嗎？

所以，為什麼火箭發射後沿著彎曲的軌跡上升呢？

首先，對大部分的火箭來說，目的地「太空」、「宇宙空間」，並不是那麼遙遠。通常我們用一個叫做「卡門線」（Kármán line）的位置來界定太空。「卡門線」的海拔高度——也即是高於地球海平面的高度——是100千米。「卡門線」是以美國航空航天方面的力學專家西奧多·馮·卡門（Theodore von Kármán）的名字命名，我國著名的科學家錢學森先生在加州理工大學學習時就是他的學生。「卡門線」的定義被國際航空聯合會（Fédération Aéronautique Internationale，簡稱FAI）接受，它是國際航空航天標準制定和記錄保存的機構，故而「卡門線」現在是通用的國際定義。

「宇宙空間」的範圍並不高。對很多航天發射任務來說，「只」需要把航天器、衛星送到幾百公里的高度，例如國際空間站的海拔高度是400千米。

垂直起飛的火箭帶著太空梭上天

另一方面，「克服重力」不是火箭的唯一任務。航天發射需要火箭把航天器、衛星送進繞地球旋轉的軌道，也即是說它們還有非常快的水平速度。正因為它們以一定的速度做圓周運動，地球對航天器、衛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、衛星，但也不能太慢不然它們會向地球墜落。

為了進入軌道，火箭起飛開始後逐漸傾斜到其一側，並逐漸增加傾斜幅度，直到它達到橢圓軌道圍繞地球，最好攜帶的燃料是剛剛好「物盡其用」。這種優化航天器軌跡以使其達到所需路徑的技術稱為重力轉向（Gravity Turn）或零升力轉向（Zero-liftTurn）。

這項技術提供了兩個好處：第一，它讓火箭在上升的早期階段保持非常低或甚至零的攻角（英文angle of attack，是航空術語，指飛行物體所受升力方向矢量與縱軸之間的夾角），這意味著火箭受到較少的空氣動力應力；第二，它讓火箭利用地球的重力而不是它自己的燃料來改變火箭（及攜帶的航天器）飛行的方向。這兩點節約下來的燃料可以用來更多的進行水平加速，使航天器更容易進入軌道。

火箭利用重力轉向逐漸進入軌道

簡而言之，如果火箭想要進入地球軌道，它必須在發射後彎曲它的軌道。如果它堅持直行，儘管越往高處引力越小，但最終會在燃料耗盡後逐漸減速，就好像我們往天上扔石頭一樣，速度到0後重新下落。

留言區·精選

@ 飛天

第一，火箭發射後沿著彎曲的軌跡上升，可以利用地球自轉速度，從而實現節省能量少帶推進劑的目的。 第二，衛星入軌後繞著地球做圓周或橢圓軌道運行，彎曲軌道發射可以設計成最終在軌曲線運動的方向。

@ 鼴鼠

為了使有效載荷進入軌道 如果一直垂直發射，除非達到第二宇宙速度，不然就會落回地球 同時，一發射就延彎曲軌跡上升，比達到高度再轉向入軌更節省燃料

@ DROP

載荷要入軌呀，進入環繞軌道可是要大大的水平速度的。 但是不能一開始就躺著飛，要先慢慢地飛到空氣稀薄的高空再橫著加速。 簡單火箭玩家日常

感謝大家的支持，我們下期再見！

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