科普:火箭分为固体燃料火箭、液体燃料火箭、固液混合火箭共三类。火箭按级数又可分为单级火箭和多级火箭,多级火箭又分为串联型(快舟11)、并联型(美国航天飞机)、串并混合型(捆绑式,如长征2F火箭)。火箭从起飞点到飞行器入轨点的飞行路线叫发射轨道,同时发射轨道包含垂直起飞段、程序转弯段、入轨段。一般垂直起飞段约十几秒,程序转弯段就包含助推器分离、一二级发动机分离,进入入轨段,此时的星箭整体已在大气层以外。前段整流罩分离、二三级发动机分离,最后星箭分离,飞行器进入预定轨道。这就是火箭发射飞行器的整个过程。
入轨方式分为直接入轨、滑行入轨、过渡转移轨道入轨。近地轨道飞行器大多采用直接入轨的方式,意思是火箭最后一级发动机关机时,飞行器同时进入预定轨道。中轨道、高轨道飞行器主要通过滑行入轨的方式入轨,前期飞行器和最后级发动机整体进入约180km高度的停泊轨道。滑行入轨需要经历主动段(最后一级发动机提供推力)、滑行段(最后级发动机关机,星箭整体惯性滑行)、再加速段(最后级发动机再次开机,将飞行器送入预定轨道)。静止轨道飞行器采用过渡转移轨道入轨,火箭最后级发动机和飞行器整体进入约200-400km的停泊轨道,滑行一段时间最后级发动机再次点火,将飞行器送入椭圆转移轨道(此时最后级发动机分离),当飞行器飞行至远地点35786km的地点,飞行器自带发动机再次点火加速,朝着地球方向加速,最终进入地球同步轨道。
一、火箭在大气层内飞行,地球的自转对火箭飞行有影响吗?答:大气层内,地球自转对飞行器是没有影响的。好比你垂直向上抛一个球,这个球依然会垂直落下,不会因为地球自转,而让球改变落点。不然我们坐着飞艇从美国飞到中国,只要飞艇离地停在空中,因为地球的自转,不要多久,中国就到了!多好,只可惜这是不可能的,了解了这个,那么火箭发射段,大家就比较清楚了。
二、轨道的定义,地球最近的轨道在哪?是不是出了大气层就是轨道?答:近地轨道的高度为160公里到2,000公里。在这个轨道上,轨道周期是88分钟,这意味着这里的物体可以在不到一个半小时的时间内围绕地球完成一次公转,即过完“一天”。处在近地轨道的飞行器无需额外的动力来维持飞行。当飞行器在160km一下,就需要额外的动力来维持飞行器的飞行速度及飞行角度,不然飞行器就会被地球引力拉入大气层。离地球中心越近引力越大,飞行器的速度也要加大,才能让飞行器维持在轨飞行状态。轨道必须出了大气层,否则飞行器速度快会直接烧毁,其实只要物体离开地面,同时围绕地球匀速飞行,它的飞行轨迹就是轨道,可是离地面越近地心引力越大,要保持在轨道上飞行,物体就需要足够的能量来维持速度,因为空气的阻力存在,当速度足够快的时候,你却发现飞行体在空气中高速飞行,它很快就会烧毁。我们一般使用的轨道是离地面160km以上的轨道。
三、卫星进入轨道后,长期运行需要燃料维持?答:理论上卫星在轨道上是不需要能量维持的,因为地心引力产生的拉力和卫星高速飞行产生的离心力相等,所以理论上卫星不需要能量维持在轨飞行,但是现实中,卫星会受到宇宙的太阳风、宇宙尘埃、月球引力等影响,使得飞行器速度产生变化,速度的变化就会使得飞行器的轨道产生变化,这个时候就需要外界能量来维持在轨飞行。所以,我们头顶上的卫星是不可能永久飞行的,除非有足够的能量补给。
五、飞行器由近地轨道变为远地轨道,速度的变化?反之,远地轨道变为近地轨道,速度如何变化?答:飞行器从近地轨道变为远地轨道是需要加速的,远地轨道变为近地轨道,同样也是需要加速,记住飞行器变轨不是直上直下,而是走的抛物线路线。近地轨道的飞行器速度快,远地轨道的飞行器速度慢,我们知道你离地球越远引力越小,那么需要的离心力也会变小,最终就是飞行器的速度变小。有朋友要问,这不是矛盾吗?速度分为在轨运行速度和主动机动变轨速度。我们从低变为远,我们需要卫星提供能量,同时,卫星调整合适的变轨角度(斜向上的线速度),这个时候卫星会斜向上(其实是抛物线)的飞行,直到到达新的远地轨道,这个时候,卫星的变轨能量刚好转变为卫星的势能,如果这个时候飞行器速度过快,还需要进行减速。这时飞行器在轨飞行速度会比近地轨道的慢,刚好满足离心力和地球引力的平衡。同理,降轨也需要加速,只是加速方向为斜向下,加速完,到达预定轨道,如果速度太低,还不要给卫星进行加速,以满足低轨道的运行速度要求。因为在近地轨道,地球引力大,所以离心力也要大,那么只能让速度变快。但是以上速度不能超过第二宇宙速度11.2km/秒。
总结:成功发射一颗卫星,并且保持在地球轨道稳定运行是非常不易的,必须保证运载工具也就是火箭的稳定运行,还需要对卫星进行远程监控进行实时变轨。三大难点:高稳定性的火箭、完善的通讯体系、可靠的卫星系统!
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本文只讲述了火箭成功发射一枚卫星的基本原理,如果有朋友这方面比较专业的,可以下方留言一起学习交流!有不足的地方,还望大家海涵!~~
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