明明可以一箭直達(dá)，長(zhǎng)征5號(hào)火箭發(fā)射衛(wèi)星為何選擇兜圈圈？

問(wèn)題的引出

長(zhǎng)征5號(hào)成功發(fā)射振奮了億萬(wàn)人，這枚推力巨大的火箭可以將重達(dá)14噸的航天器送到地球同步轉(zhuǎn)移軌道。然而細(xì)心的朋友也注意到，幾天過(guò)去了，火箭搭載的實(shí)踐20號(hào)衛(wèi)星還沒(méi)能成功定位到地球同步靜止軌道（GEO）上。

我的一位朋友是個(gè)急性子，他表示等不了：長(zhǎng)征5號(hào)的推力這么大，明明可以一箭直達(dá)，把8噸的衛(wèi)星筆直送到地球同步靜止軌道，卻偏偏要走彎路一圈一圈的圍著地球兜圈子，這到底是為什么呢？

長(zhǎng)征5號(hào)火箭推力強(qiáng)大

盡管與世界上最大的火箭沒(méi)法比，但長(zhǎng)征5號(hào)的推力指標(biāo)還是相當(dāng)亮眼的。

長(zhǎng)征5號(hào)采用了模塊化構(gòu)型，一級(jí)火箭的芯級(jí)采用直徑5米、兩臺(tái)50噸級(jí)推力的液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)，加上四枚直徑3.5米、各兩臺(tái)120噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)助推器，起飛總推力達(dá)到1078噸。而火箭的起飛總重量為869噸。

就拿2019年末的這一次發(fā)射任務(wù)來(lái)說(shuō)，實(shí)踐20號(hào)衛(wèi)星重達(dá)8噸，是到目前為止人類(lèi)發(fā)射到地球同步靜止軌道最重的衛(wèi)星，它比之前由獵鷹Block-5火箭發(fā)射的“Telstar 19 Vantage”通信衛(wèi)星（重7060公斤）要重近1噸。你通過(guò)衛(wèi)星安裝過(guò)程中與工作人員的對(duì)比照片就能體會(huì)到它的龐大。

這位朋友通過(guò)計(jì)算：既然火箭總推力比總重量大1078-869=209噸，衛(wèi)星的重量只有8噸，并且新聞里也說(shuō)了長(zhǎng)征5號(hào)可以運(yùn)最多14噸的荷載到達(dá)地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO），干嘛不把衛(wèi)星筆直向上推到地球同步靜止軌道？畢竟小學(xué)生也知道兩點(diǎn)之間線段最短呀！

這樣一說(shuō)似乎也挺有道理，但為什么世界上幾乎沒(méi)有這種“一桿子插到底”的衛(wèi)星發(fā)射方式呢？

火箭發(fā)射中的程序轉(zhuǎn)彎

如果你是個(gè)航天愛(ài)好者，每次觀看火箭發(fā)射直播的時(shí)候一定會(huì)注意到，火箭一開(kāi)始都是筆直地豎立在發(fā)射臺(tái)上，發(fā)射后沒(méi)多久，控制中心都會(huì)下達(dá)“程序轉(zhuǎn)彎”的指令。這時(shí)候火箭就不再是筆直向上飛行，而是一點(diǎn)一點(diǎn)地傾斜，直到最后幾乎是以平飛的狀態(tài)從視野中消失。

為什么不能筆直向上發(fā)射？因?yàn)樗鼤?huì)掉下來(lái)！

你沒(méi)看錯(cuò)，如果筆直向上發(fā)射火箭，只會(huì)出現(xiàn)三種結(jié)果，一種是它一直飛一直飛，直到被其他星球的引力捕獲；一種是剛好飛到距離地球150萬(wàn)公里（或者更遠(yuǎn)）的引力平衡點(diǎn)位置停下來(lái)；或者因?yàn)槿剂喜蛔懵浠氐降孛?。即便是我們垂直向上將衛(wèi)星送到了距離地面3.6萬(wàn)公里的靜止軌道，它依然會(huì)掉下來(lái)，這是由萬(wàn)有引力決定的。

要想克服萬(wàn)有引力的影響，我們必須要給衛(wèi)星一個(gè)橫向運(yùn)動(dòng)的速度。這就涉及到了衛(wèi)星的軌道運(yùn)動(dòng)力學(xué)。

衛(wèi)星的軌道

我們知道圍繞著地球飛行的人造衛(wèi)星大致分為低軌道（近地軌道）、中軌道、同步軌道、靜止軌道、高軌道和橢圓軌道等等。衛(wèi)星在這些軌道上需要以極快的速度飛行。

即便是所謂的地球同步靜止軌道衛(wèi)星，它也并不是靜止。它飛行的方向與地球自轉(zhuǎn)方向和自轉(zhuǎn)角度一致，地球自轉(zhuǎn)一周是23小時(shí)56分，衛(wèi)星繞地球轉(zhuǎn)一圈也是同樣的時(shí)間，并且衛(wèi)星的軌道平面處于地球的赤道面上，這時(shí)我們從地面看衛(wèi)星，它就像是懸停在空中一樣。實(shí)際上衛(wèi)星以3.075km∕s的速度繞著地球飛，這個(gè)速度是音速的9倍！

不只是地球靜止軌道上的衛(wèi)星需要非常大的切線速度，在其它軌道上運(yùn)行的人造衛(wèi)星也同樣需要很高的速度才能保證不掉落回地面：在Molniya橢圓軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星速度在1.5~10km∕s；在近地軌道運(yùn)行的衛(wèi)星速度大約為6.9~7.8km∕s。衛(wèi)星越接近地表，它所需要的運(yùn)動(dòng)速度越快，而一枚衛(wèi)星如果想貼著海平面飛行又不掉下來(lái)，它的飛行速度將達(dá)到7.9km∕s。事實(shí)上沒(méi)有航天器能在大氣層內(nèi)維持如此高的飛行速度，在23馬赫速度下強(qiáng)大的空氣摩擦力會(huì)很快將飛行器燒毀。

你可能注意到了，軌道高度越低的衛(wèi)星，它所需要的運(yùn)動(dòng)速度就越快。這是因?yàn)樵浇咏厍颍亓?chǎng)就越大，為了克服重力場(chǎng)的影響，衛(wèi)星需要以更快的速度做離心運(yùn)動(dòng)以達(dá)到向心力的平衡。

通過(guò)同步轉(zhuǎn)移軌道過(guò)渡到靜止軌道是常規(guī)操作

到目前為止還沒(méi)有任何一枚火箭能將衛(wèi)星垂直推送到距離地面3.6萬(wàn)公里的靜止軌道，為了抵抗萬(wàn)有引力和空氣阻力的影響，火箭需要在短時(shí)間內(nèi)燃燒大量的燃料，這些燃料占了火箭總質(zhì)量的90%。長(zhǎng)征5號(hào)火箭花了295秒才將衛(wèi)星推送到距離地面大約200公里的稠密大氣層，但在175秒它燒完助推火箭全部燃料、芯一級(jí)的燃料也在500秒內(nèi)告罄。

為了利用有限的燃料和推力將衛(wèi)星推得更高，科學(xué)家們巧妙地利用了對(duì)地靜止轉(zhuǎn)移軌道。

對(duì)地靜止轉(zhuǎn)移軌道

轉(zhuǎn)移軌道是一個(gè)橢圓形的過(guò)渡軌道，這個(gè)軌道距離地球最近的位置高度大約為200公里（長(zhǎng)征5號(hào)為192公里，這里的大氣非常稀薄，阻力很小），遠(yuǎn)地點(diǎn)高度通常在3.6萬(wàn)公里以上（長(zhǎng)征5號(hào)為6.8萬(wàn)公里），軌道周期大約為10.5小時(shí)。長(zhǎng)征5號(hào)的軌道高度更高，意味著它需要賦予衛(wèi)星更大的推力及更高的速度。

在衛(wèi)星進(jìn)入轉(zhuǎn)移軌道后，上面級(jí)火箭或衛(wèi)星自身發(fā)動(dòng)機(jī)的微調(diào)下，衛(wèi)星一點(diǎn)一點(diǎn)地做軌道調(diào)整，逐漸靠近地球同步靜止軌道。

由于火箭發(fā)射場(chǎng)并不是剛好設(shè)置在地球赤道上，文昌發(fā)射場(chǎng)處于北緯19度36分，火箭發(fā)射后的軌道面與地球赤道面之間存在一個(gè)傾角，因此衛(wèi)星還需要同時(shí)調(diào)整軌道傾角，使衛(wèi)星的軌道面逐步與地球赤道面重合。

問(wèn)題回顧

講到這里，你應(yīng)該明白了，衛(wèi)星在天上飛行，它需要克服地球?qū)λ囊?，因此衛(wèi)星需要圍繞地球做離心運(yùn)動(dòng)。

即使是在地球同步靜止軌道上的衛(wèi)星，它也是要以9馬赫的高速度圍繞地球旋轉(zhuǎn)，只不過(guò)由于它旋轉(zhuǎn)的方向與地球赤道自轉(zhuǎn)方向相同，并且也是24小時(shí)轉(zhuǎn)一圈，所以我們?cè)诘孛婵此庆o止的。

為了使衛(wèi)星獲得切線方向的初速度，我們不能垂直將衛(wèi)星送上軌道。幾乎所有火箭在發(fā)射后都會(huì)偏轉(zhuǎn)方向，在飛出大氣層后，衛(wèi)星通過(guò)它從火箭那兒得到的動(dòng)能逐步調(diào)整自己的軌道，一直到達(dá)最初設(shè)計(jì)的運(yùn)行軌道。

所以，長(zhǎng)征5號(hào)選擇“兜圈圈”是有科學(xué)道理的。