獨自爬高2萬公里!誰看看了都震驚

如果一顆小小的衛星都能自個兒爬高2萬公里,那還要火箭作甚?那些近地軌道的衛星距離地面也才幾百到兩千公里!你瞧它們哪一個是衛星自個兒蹦上去的?

獨自爬高2萬公里!誰看看了都震驚

然而“星堅強”沒騙大家,它確確實實爬高了2萬公里。現在的問題是:

它如何做到的?

又是怎麼爬的?

“星堅強”其實是火箭的最末級

多級火箭優勢明顯!就好比,沙僧揹著八戒去爬山,爬到半山腰時,沙僧用最後一口氣叫醒了在他背上熟睡的八戒。

“嗨!醒醒!到你了!”

八戒揉揉睡眼,從沙僧背上跳下來後,他彎腰佯裝要背沙僧,可沙僧剛撲上去時,八戒卻像馬兒一樣,向後彈起一腿……

在沙僧墜落懸崖的慘叫聲中,八戒輕裝上路,最終,他爬到了峰頂。

此為二級火箭!

如果是三級火箭,則可能是悟空將八戒踢下懸崖。如果是四級火箭,那麼能一覽眾山小的只有小唐同學。

搭載“星堅強”的長征三號乙運載火箭為三級,此時,自帶燃料的“星堅強”,你可以將它看成是火箭的“第四級”。

因此,並非“星堅強”有多強,而是它的燃料只用來推進它自己,如此輕裝,當然能爬得更高。

總之,多級火箭的特點是,後一級都比前一級蹦得更高。

牛頓說:如果我看得更遠一點的話,那是因為我站在巨人的肩膀上。

星堅強說:我爬得更高,那是因為我站在牛頓的肩膀上。

霍曼轉移軌道

“星堅強”之所以能成功登頂,跟它走了一條相對節約燃料的大道是分不開的,這就是霍曼轉移軌道。

想象一個畫面,一隻大雁與殲20在同一個高度下比翼雙飛,但殲20嗖一下就不見了蹤影,而大雁幾乎還楞在原地扇翅膀。這就是說,在地面附近的同一高度下,不同的飛行器可以有不同的速度。

然而,太空中的衛星則不同,只要兩顆衛星所在的軌道高度相同,則它們的軌道速度必相同。規律就是,距離地面越高,速度越小。如下圖:

獨自爬高2萬公里!誰看看了都震驚

衛星的軌道速度與衛星的質量無關,例如,1萬公里高的太空,有顆衛星重如泰山,另一顆衛星輕如鵝毛,但是,這兩顆衛星的軌道速度是相同的——都是4.9公里/秒。

衛星繞地球高速運動會帶來一個離心力,同時地球對衛星有引力,當離心力與引力相等時,衛星便能長期環繞下去了。

而距離地面越近,地球對衛星的引力越大,此時,只有衛星的軌道速度很大才能帶來更大的離心力,如此才能抵消。

現在,咱們開始說霍曼轉移軌道。

所有衛星的軌道都是橢圓軌道,只不過有的很“橢”,而有的不是那麼“橢”。為便於說明,我們先從圓軌道開始說起。

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如上圖,軌道高度為h的圓軌道,h等於400公里。假設“星堅強”所在的位置為P1點,此時,如果“星堅強”突然發力(發動機點火),並讓它的速度增加了0.1公里/秒,那麼,“星堅強”將何去何從?

答案是,“星堅強”所在的圓軌道將會變成橢圓軌道。

獨自爬高2萬公里!誰看看了都震驚

如上圖,在近地點P1時,“星堅強”開啟發動機,速度增加0.1公里/秒後,它的軌道變成了橢圓軌道,近地點還是距離地面400公里,而遠地點距離地面卻是750公里了。

給人的感覺是,“星堅強”一下子爬高了350公里,然而,此時的350公里還是一種“虛高”,因為近地點依然是400公里。

該怎樣做才能讓“星堅強”貨真價實地提升350公里高度?不難,當“星堅強”運行到遠地點P2時,再次發力,速度進一步增加。則“星堅強”就能將這個橢圓軌道變成一個更大的圓軌道了,這就等於“星堅強”爬升了350公里高度——此為利用霍曼轉移軌道爬高的全過程。

如下圖:

獨自爬高2萬公里!誰看看了都震驚

上圖中,“星堅強”最初在P1點,它加速後,變成橢圓軌道(紅線和黑虛線組成的橢圓),“星堅強”沿著紅線部分的軌跡爬到P2點時,它再次加速,於是“星堅強”得以從橢圓軌道變成大圓軌道,並提升350公里高度。

上圖中的紅色路徑即為霍曼轉移軌道。而黑色的虛線路徑,“星堅強”實際上並沒有走。當然,它也可以來來回回不厭其煩地走,只是這樣就浪費時間了。

可以看到,如果是利用霍曼轉移軌道爬高,則“星堅強”只開啟了兩次發動機,相對來說節約燃料。重複此步驟,“星堅強”便能步步等高。

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關於“霍曼轉移軌道”的其他疑問

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不少網友可能會問,既然前面說了,衛星距離地面越近,其軌道速度就越快。而“星堅強”在P1點和P2點都發力加速,按理,“星堅強”的速度是提高了的,如此,“星堅強”的軌道應該更靠近地面才是……

應這樣去理解,“星堅強”在P1點提高了速度,而速度增大後,離心力也增大,於是它具有了逃離地球引力的趨勢,正是靠著“這股勁”,它爬升了P2點,若此時“星堅強”沒發力,它將持續運行在紅線和黑虛線組成橢圓軌道中。

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而在這個橢圓軌道里,“星堅強”在近地點的速度依然是大於遠地點速度的。這跟上文說法吻合。

另外,當“星堅強”將自己400公里高的圓軌道提升到750公里高的大圓軌道後,此時大圓的軌道速度依然是小於原先小圓軌道速度的。沒錯,“星堅強”是開啟了兩次發動機,並兩次讓自己的動能增加了,但這個動能最終拿去換高度了。

新聞裡說,“星堅強”耗時16天,10次重新點火變軌,從而讓自己爬高2萬公里。此過程,你可以理解成“星堅強”走了數次霍曼轉移軌道。

運載火箭沒有“送佛送到西”,這種事我國和其他國家以前都出現過。但像“星堅強”這樣,剛送到吐魯番就被扔下的,在我國還是第一次。


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