星体|火箭为何不用飞机带到万米高空再发射,这样岂不是省了很多燃料?
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大家在看火箭发射视频时 , 都会被那腾空而起的壮观场景所震撼 。 大家应该都会注意到 , 在火箭主体结构的旁边 , 都会“捆绑”着几个小型的火箭 , 这些小型火箭其实都是火箭主体结构的“油箱” 。 对于那些执行深空探测任务的火箭来说 , 由于需要运行的旅程很长 , 所以所携带的燃料也就很多 , 拿上世纪美国著名的土星5号巨型火箭来说 , 其携带的燃料占到火箭总质量的比重 , 能够达到将近90% , 而且这些燃料的大部分 , 都将在火箭发射几分钟内消耗完毕 , 将火箭带到几万米的高空 。 有朋友不禁要问了 , 为何不使用航天飞机将火箭带到万米的高空 , 然后在那里再发射 , 岂不是可以节省很多燃料?
17世纪末期 , 伟大的科学家牛顿发现了万有引力定律 , 确认了宇宙中所有的物质之间都存在着万有引力作用 , 引力的大小与两个物体的质量乘积成正比 , 与它们之间的距离平方成反比 。 万有引力的存在 , 使得两个物体都有着相互吸引和靠近的趋势 。 在微观世界里 , 万有引力的作用远远没有强核力、弱核力和电磁力的作用大 , 而在宏观世界里 , 宇宙星体之间由于都存在着一定的初始运动状态 , 特别是星体都会以一定的线速度围绕着引力源进行公转 , 在公转的过程中 , 星体和引力源之间的万有引力时刻在发生着作用 , 使得星体每时每刻都在向着引力源的方向坠落 。
那么 , 为何星体基本上都没有坠入引力源呢?我们可以用两种方法来理解这个问题 。 首先 , 星体拥有一定的公转线速度 , 引力源一般都是大质量的恒星 , 表面也都拥有一定的曲率 , 那么星体在向引力源坠落的过程中 , 单位时间内沿着公转轨道切线方向上 , 其在垂直方向上的分量-即与星体与引力源拉开的距离 , 与该星体坠落的距离相一致 , 所以星体一直向引力源坠落 , 但却一直坠不下去 。
第二种理解 , 那就是应用广义相对论的原理 , 有质量的物体会对周围的时空造成弯曲 , 周围的其它物体在这种弯曲的时空里运行时 , 就会沿着两点间的最短距离-测地线进行轨迹的变化 , 也就是说广义相对论认为引力的本质并非是一种力 , 而是一种时空的“漩涡” , 从引力源周围的物体本身来看 , 它是沿着直线运行的 , 但从外界来看它的确是围绕着引力源公转的 。
对于一个质量为M、半径为R的星体来说 , 要想实现围绕其公转 , 从其表面发射出去的物体所需要的最小线速度V1 , 必须达到(G*M/r)^(1/2)才可以 , 这个速度被称为这个星体的环绕速度;如果要脱离这个星体的引力束缚 , 其最小线速度值V2应该满足大于等于(2G*M/r)^(1/2) , 这个速度被称为该星体的逃逸速度 。 对于地球来说 , 从表面发射一个火箭 , 其环绕速度必须达到7.9公里每秒 , 逃逸速度必须达到11.2公里每秒 。
从以上两个公式可以看出 , 当距离地球表面越大 , 物体能够围绕地球运行或者逃出地球引力束缚的最低速度 , 就会明显地变小 。 因此 , 从理论上看 , 如果将火箭带至地球上空一定的高度之后再发射 , 所需要的燃料总量肯定要比地球上的少很多 。 但是 , 为何人们很少应用这种方式进行操作呢?
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