明明可以一箭直達，長征5號火箭發射衛星為何選擇兜圈圈？

問題的引出

長征5號成功發射振奮了億萬人，這枚推力巨大的火箭可以將重達14噸的航天器送到地球同步轉移軌道。然而細心的朋友也注意到，幾天過去了，火箭搭載的實踐20號衛星還沒能成功定位到地球同步靜止軌道（GEO）上。

我的一位朋友是個急性子，他表示等不了：長征5號的推力這么大，明明可以一箭直達，把8噸的衛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？

長征5號火箭推力強大

盡管與世界上最大的火箭沒法比，但長征5號的推力指標還是相當亮眼的。

長征5號采用了模塊化構型，一級火箭的芯級采用直徑5米、兩臺50噸級推力的液氫液氧發動機，加上四枚直徑3.5米、各兩臺120噸級液氧煤油發動機助推器，起飛總推力達到1078噸。而火箭的起飛總重量為869噸。

就拿2019年末的這一次發射任務來說，實踐20號衛星重達8噸，是到目前為止人類發射到地球同步靜止軌道最重的衛星，它比之前由獵鷹Block-5火箭發射的“Telstar 19 Vantage”通信衛星（重7060公斤）要重近1噸。你通過衛星安裝過程中與工作人員的對比照片就能體會到它的龐大。

這位朋友通過計算：既然火箭總推力比總重量大1078-869=209噸，衛星的重量只有8噸，并且新聞里也說了長征5號可以運最多14噸的荷載到達地球同步轉移軌道（GTO），干嘛不把衛星筆直向上推到地球同步靜止軌道？畢竟小學生也知道兩點之間線段最短呀！

這樣一說似乎也挺有道理，但為什么世界上幾乎沒有這種“一桿子插到底”的衛星發射方式呢？

火箭發射中的程序轉彎

如果你是個航天愛好者，每次觀看火箭發射直播的時候一定會注意到，火箭一開始都是筆直地豎立在發射臺上，發射后沒多久，控制中心都會下達“程序轉彎”的指令。這時候火箭就不再是筆直向上飛行，而是一點一點地傾斜，直到最后幾乎是以平飛的狀態從視野中消失。

為什么不能筆直向上發射？因為它會掉下來！

你沒看錯，如果筆直向上發射火箭，只會出現三種結果，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150萬公里（或者更遠）的引力平衡點位置停下來；或者因為燃料不足落回到地面。即便是我們垂直向上將衛星送到了距離地面3.6萬公里的靜止軌道，它依然會掉下來，這是由萬有引力決定的。

要想克服萬有引力的影響，我們必須要給衛星一個橫向運動的速度。這就涉及到了衛星的軌道運動力學。

衛星的軌道

我們知道圍繞著地球飛行的人造衛星大致分為低軌道（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星，它也并不是靜止。它飛行的方向與地球自轉方向和自轉角度一致，地球自轉一周是23小時56分，衛星繞地球轉一圈也是同樣的時間，并且衛星的軌道平面處于地球的赤道面上，這時我們從地面看衛星，它就像是懸停在空中一樣。實際上衛星以3.075km∕s的速度繞著地球飛，這個速度是音速的9倍！

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

你可能注意到了，軌道高度越低的衛星，它所需要的運動速度就越快。這是因為越接近地球，重力場就越大，為了克服重力場的影響，衛星需要以更快的速度做離心運動以達到向心力的平衡。

通過同步轉移軌道過渡到靜止軌道是常規操作

到目前為止還沒有任何一枚火箭能將衛星垂直推送到距離地面3.6萬公里的靜止軌道，為了抵抗萬有引力和空氣阻力的影響，火箭需要在短時間內燃燒大量的燃料，這些燃料占了火箭總質量的90%。長征5號火箭花了295秒才將衛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、芯一級的燃料也在500秒內告罄。

為了利用有限的燃料和推力將衛星推得更高，科學家們巧妙地利用了對地靜止轉移軌道。

對地靜止轉移軌道

轉移軌道是一個橢圓形的過渡軌道，這個軌道距離地球最近的位置高度大約為200公里（長征5號為192公里，這里的大氣非常稀薄，阻力很小），遠地點高度通常在3.6萬公里以上（長征5號為6.8萬公里），軌道周期大約為10.5小時。長征5號的軌道高度更高，意味著它需要賦予衛星更大的推力及更高的速度。

在衛星進入轉移軌道后，上面級火箭或衛星自身發動機的微調下，衛星一點一點地做軌道調整，逐漸靠近地球同步靜止軌道。

由于火箭發射場并不是剛好設置在地球赤道上，文昌發射場處于北緯19度36分，火箭發射后的軌道面與地球赤道面之間存在一個傾角，因此衛星還需要同時調整軌道傾角，使衛星的軌道面逐步與地球赤道面重合。

問題回顧

講到這里，你應該明白了，衛星在天上飛行，它需要克服地球對它的引力，因此衛星需要圍繞地球做離心運動。

即使是在地球同步靜止軌道上的衛星，它也是要以9馬赫的高速度圍繞地球旋轉，只不過由于它旋轉的方向與地球赤道自轉方向相同，并且也是24小時轉一圈，所以我們在地面看它是靜止的。

為了使衛星獲得切線方向的初速度，我們不能垂直將衛星送上軌道。幾乎所有火箭在發射后都會偏轉方向，在飛出大氣層后，衛星通過它從火箭那兒得到的動能逐步調整自己的軌道，一直到達最初設計的運行軌道。

所以，長征5號選擇“兜圈圈”是有科學道理的。