航天科普（一）

lgeorge123

前一段时间玩KSP（坎巴拉太空计划），对航天方面稍微多了解了点。再加上今年我国也有很多重要的航天发射计划，就想着写个简单的科普文， 简单介绍一些基础知识。
这些基础知识主要包括航天活动的一些专业术语，比如速度增量Δv、霍曼转移、火箭比冲、行星探测的相位角、引力弹弓等。后面还简单介绍了一下火箭的相关技术，比如多级火箭原理、固体火箭发动机、液体火箭发动机等等。最后还简单讲了一下电影流浪地球中谈到的木星引力增大的解释。分为两次更新。
本文主科普，要求高中天体物理、动量等相关知识。当然不了解没太大关系，科普的东西，看看就好~
传送门

1、Δv

在航天领域讲的比较多的是速度增量这个概念，为了方便打字，后文用dv来表示。
高中物理告诉我们，如果知道航天器的位置以及此时的速度矢量，我们就能推算出整个轨道。所以速度基本上衡量了可以飞行的轨道。除了中心天体的影响，航天器在轨道上某一点改变速度的方式是靠火箭反推作用。比如，我们通过霍曼转移从低轨到高轨，首先需要在低圆轨上加速，假设进行这一次发动机开机使得航天器的速度提高了dv1，在椭圆轨道远地点进行第二次加速，假设速度提高了dv2。那么在此次变轨中总共使用了dv1+dv2的速度增量。当航天器质量、燃料质量、发动机推力确定了，就能根据动量定理计算出这些燃料能给航天器带来的速度增量是多少，这个总的dv只要上了天，如果不进行与其他物体对接或补充燃料，它就恒定了。所以变轨以后消耗了一定的dv，剩余的dv决定了还能继续变换到怎样的轨道。
为什么航天领域广泛使用dv这个概念？通常我们说一辆车能开多远主要看能带多少油，油量大致正比于行程。但是航天器的轨道主要是由速度决定的，如果我们经常使用携带的燃料这个概念，就需要经过很多换算才能得到新的轨道。dv在火箭组装中就能被确定，它直接决定了航天器的速度，所以来推算轨道会更加方便。
2、如何发射同步轨道卫星

高中物理告诉我们，先发射到低轨（LEO），然后在近地点加速得到一个远地点与同步轨道（GEO）内切的椭圆轨道，我们称其为同步转移轨道（GTO），最后在远地点加速得到GEO。这是一个很简单的霍曼转移，但是在实际操作中会遇到一些问题。
绝大多数发射场会倾向于靠近赤道，一方面是可以借助地球自转的巨大线速度，另一个原因就是，远离赤道的发射场能发射的航天器倾角选择较少。比如在文昌（19°N）发射一个与赤道面平行的轨道，是无法直接做到的，需要发射入轨后再修正轨道倾角，这就要消耗航天器宝贵的dv。去年底的长征五号遥3发射的GEO卫星就是用的一种新方式，首先利用长五强大的运载能力将卫星发射到一个远地点高于同步轨道的椭圆轨道，称为超同步转移轨道（SSTO），SSTO的远地点比GTO高，因此速度更小，在这个速度更小的点修正轨道倾角所需耗费的dv会相对少很多。然后在远地点加速，将近地点提高到GEO高度，再在近地点减速，圆化轨道。（SSTO的发射方式最早是苏联人发明的，因为他们的纬度太高了）
3、行星转移相位角

今年中国将发射火星探测器，新闻里经常会听到这样一个说法，“火星探测的窗口期每26个月出现一次”，这里来解释一下为什么会有窗口期这个概念。
由于地球和火星是环绕太阳的不同轨道，地球在内测，速度大周期小，火星在外侧，速度小周期长。火星探测需要将航天器从地球的轨道送到火星的轨道高度，最经济的做法就是前面多次提到的霍曼转移。假设地球和火星的轨道都是圆形，地火转移轨道实际上是一个近日点与地球轨道外切，远日点与火星轨道内切的椭圆轨道。地火转移的前提是，航天器飞到这个椭圆轨道的远日点时，火星要能恰好也在这个点，这样才能别火星捕获。因此在发射探测器的时候，火星必须和地球处于一个特定的角度，这个角度被称为相位角。我们可以简单推算一下这个角度：航天器需要飞行转移轨道的半个周期才能从近日点飞到远日点，根据火星的公转速度，我们可以计算出火星在这段时间内公转的角度。航天器发射时地球处于转移轨道的近日点，所以用180度减去这个角度就得到大致的相位角。当然，我们对于地火轨道假设是圆形，实际情况是偏心率很小的椭圆，所以计算会有一定的误差。目前地火转移的相位角大约为44°，每26个月会出现一次。
其实，我们在地球轨道上建立空间站，飞船与空间站的交会对接也用到了类似的相位角的知识，需要讲究发射窗口。
4、引力弹弓

上面讲火星探测的时候降到用的方式是霍曼转移，为什么要用霍曼转移的方式呢？因为这种方式利用到了地球公转的巨大线速度，可不要小看了这个速度，接近30km/s的速度，人类目前的技术还达不到呢。行星公转的速度都非常大，于是人类想到利用到这些速度来加速我们的航天器。
看了流浪地球，里面提到了引力弹弓可以加速，那么什么是引力弹弓呢？
动量定理告诉我们，一个小质量物体以一定速度撞向一个非常大质量的物体，发生完全弹性碰撞，将会原速反弹（考虑质量差相当悬殊的情况）。动量定理也能适用于天体之间的相互作用。当小质量航天器以一定的相对速度飞向一个大质量天体，如果不发生碰撞或者捕获，天体会改变航天器的速度方向，但不改变相对速度大小。注意，这里提到的是相对速度，也就是航天器相对天体的速度。假如初始航天器速度方向与天体公转方向相反，则相对速度是两者之和，弹性碰撞后，航天器的速度方向与天体同向，而相对速度仍为两者之和，则航天器相对太阳的速度增加了两倍天体的公转速度，实现了速度增加。
当然，实际情况不可能完全是速度从相反方向变为同向，速度增加不会有这么多，但是即使存在一些的夹角，速度增量也是非常可观。例如旅行者二号经过了四次引力加速，现在已经到达了太阳系边缘。

风暴

dv是啥

御野紘

速度增量，在航天领域速度是一个很重要的概念，速度意味着能进入的轨道，而燃料和发动机比冲又决定着火箭能提供多少速度增量

悟空~快来救为师

到太空了，卫星重量质量会影响dv吗

影子

会影响，冲量由发动机和燃料决定，能提供多少dv要看卫星质量有多大，可以根据齐奥尔科夫斯基公式去算，dv跟卫星的干质比有关

mdjdjm

谢谢

胧月夜

看不太懂，再多看两遍，收藏惹

SOPHIL❤Sophie

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vivichild

明白！