火箭机动飞行
在虚空中航行

卫星特别厉害，它们绕地球轨道运动，帮助我们在全世界范围内建立通信，带给我们电视信号，为我们导航，还可以在天气预测、绘制全球地图等很多方面助我们一臂之力。你是否想过拥有一枚属于自己的卫星？我们暂且不谈开发卫星本身的复杂流程，只想想如何把卫星送上太空。为了进一步简化这个问题，我们可以把它想象成把写着我们名字的网球送上太空。简单的办法是：拿起一个网球，把它扔上天。我们会观察到什么？

速度快到无法停留

球几乎一定会落回地面。但是你也会看到，你把它扔出的速度越快，它飞得越高。球落回地面的原因是地球和球之间的引力。这个力就是我们“附着”在地球表面，并且可以在地表行走而无须担心被拽进太空的原因。可以说，是引力将我们束缚在地球上。这种束缚可以用一种特定的能量来量化。如果你向上扔出网球，它也有一定量的动能。你扔得越快，它得到的动能越多。该能量可以抵消重力产生的部分束缚能量。在网球下落的转折点，它会失去所有的动能，然后通过加速回到地面而重新获得动能。做一些演算便可让你得到这个问题的解决方案：“我要以多快的速度把网球扔出去，才能赋予它超过重力能的能量？”这个速度叫作逃逸速度，相当于你进入外层空间的门票。它取决于地球的质量和半径。逃逸速度值为11.2公里/秒，即40 000公里/时。这是个相当高的速度。太阳的逃逸速度更高：617.5公里/秒。

逃逸速度其实是物体离开地球、前往外层空间所需要的最小速度——但这只适用于没有更多推进力的情况，以抛出去的球为例：离开你的手之后，球的速度就会下降。但是火箭会一直加速，这就允许它们以低得多的速度开始。再举一个例子，原子缺少推进力，所以逃逸速度对其更为重要。氢和氦都是很轻的原子。大气中气体的温度决定了它们原子的平均动能。在温度相等的情况下，原子的动能相等，因此轻原子速度更快。这就是为什么我们的大气中不含有任何氢或氦的原因：与氮和氧等重原子不同，氢和氦的温度导致其速度大于逃逸速度，所以它们才会离开地球。

另外，如果利用地球在旋转这一点，你就可以降低所需的逃逸速度。根据逃逸开始的方向的不同（与地球自转的方向相反或一致），逃逸速度将会提高或降低约10%。地球赤道上的自转速度最快，所以许多航天发射设施都位于这个区域，比如美国的卡纳维拉尔角和欧洲的法属圭亚那航天中心 。

小火箭，加油冲！

现在我们知道了，每一场前往外层空间的旅程都要从摆脱地球的引力场开始。问题是：我们如何才能达到那个速度？通常我们使用火箭达到这一目的。火箭的推进器会排出高速射流，根据牛顿定律，射流会对火箭产生推力。

只要火箭还有推进器，它就可以继续加速。火箭推进器的有趣之处在于：它不仅要推动火箭的质量，还要推动自身的质量（至少在它离开火箭之前是这样）。因此，使用和脱离的推进器越多，火箭的加速就越容易。著名的“火箭方程”说的便是这个道理。它告诉我们，火箭能达到的最大速度是由推进器离开火箭时的速度乘以满载火箭和空载火箭质量之比的对数决定的。

因此，要想获得最大的火箭速度，你可以设法让推进器的排气速度最大化，也可以让满载火箭和空载火箭的质量比最大化。火箭方程还告诉我们，使用多级火箭比单级大型火箭更高效。多级火箭有很多级，每一级都装有发动机和推进器。每一级的燃料全部用完之后，它就会从火箭上脱落下来。除了使质量比最优化和使用多级火箭之外，你还可以通过提高推进器的排气速度来提高火箭的最终速度。典型的火箭推进剂有固体和液体两种形态，在带燃烧室的发动机中使用。其好处在于：这种推进剂甚至在真空——比如外层空间中都管用。典型的飞机涡轮机无法在周围没有空气的环境中工作。对了，还有件事要交代：我们所说的火箭方程没有考虑任何外力影响。如果你打造了一辆视空气阻力为无物的火箭车（车顶上固定有火箭，所以这种车可以达到非常高的速度），那也没关系。车将只能水平移动，引力对它的影响可以忽略。然而，前文提到的对满载与空载火箭的质量比和排气速度的依赖依然有效。对于外层空间的火箭运动而言，引力可以忽略不计。

外层空间的机动飞行

等火箭到了外层空间，除了“停留在轨道上”或“朝一个方向飞行”之外，它还可以做出好几种机动动作。想象火箭正在绕着地球转圈，但是想通过改变轨道以改变它与地球的距离。下面是个有趣的例子。大约位于地球赤道上方36 000公里处，是地球静止轨道。记住，在每个轨道上，环绕地球（或者外层空间中的任何目标）一圈都需要一段特定的时间。在地球静止轨道上，这段时间与地球自转需要的时间一致。这意味着，从地球的视角来看，地球静止轨道上的卫星会待在一个固定的位置上。换轨道的机动动作被称为“霍曼转移”。如果你想进行“霍曼转移”，去更远的地方，那你就需要两个小小的冲量，每个冲量都朝着飞行的方向，与轨道相切。第一个冲量将带你进入一个椭圆形的轨道，即实际的霍曼轨道；与第一个冲量同类型的第二个冲量将把我们的航天器移出霍曼轨道，移动到第二个圆形轨道上。霍曼转移当然也可以通过掉转冲量方向达到相反的目的。

另一个机动动作名字听起来很浪漫，但其实过程相当复杂，它叫“空间交会”：两架航天器在同一轨道的同一地点相遇，其中一架航天器被动等待，另一架航天器主动接近被动的那架。这听起来很简单：先要进行一次霍曼转移，让航天器移动到对的轨道上；然后它得靠近被动的航天器。这个过程可以通过施加一点推力实现。但是，等等！这会改变你的速度，从而导致航天器更换轨道。因此，这涉及关于轨道变换和冲量的更多考量。

最后，我们来介绍同样重要的一个机动动作，“绕行星变轨” 。如果你计划去一个遥远的目的地执行太空任务，比如说去火星，那你一定想尽可能地节省推进剂。绕行星变轨这个机动动作，可以利用途中遇到的飞向同一个方向的其他行星的引力给你的航天器加速。你甚至可以仿照2004年发射的罗塞塔号彗星探测器，进行多次绕行星变轨。在它前往67P/丘留莫夫－格拉西缅科彗星的路上，它进行了三次绕地球变轨和一次绕火星变轨。这种复杂的旅程需要完美的时机！一句“哎呀，我们不小心错过了火星”，就意味着任务泡汤了。 qUWXKqvE7rhOxTEENKTaCWBLD1U7PC9E/4FPgUp6Sr1ecrpqr0miRdZdpNsUaQeW