[科普中国]-火箭的发射轨道

运载火箭的发射轨道有2种基本形式：一种是连续推力发射轨道；另一种是具有中间轨道的发射轨道。

连续推力发射轨道如右所示。这种发射方式从能量角度来说不是最佳的，对发动机推力大小有一定的限制，且由于要求连续推力，使得运载火箭动力飞行时间延长。但对于发射低轨道卫星(包括太阳同步轨道卫星)，合理选择推力，能实现较好的运载性能。

具有中间轨道(即滑行段)的发射轨道是发射卫星的常用形式，适用于发射中、高轨道卫星，如图所示。当K1位于中间轨道的近地点、K2位于中间轨道的远地点时，称为最佳转移。此时，K1和K2之间的地心夹角约为180°，这种轨道的入轨航程(即发射点到入轨点的地面航程)较长。发射轨道也可具有2个中间轨道。在非赤道地区发射地球同步卫星(轨道倾角为0°)，需要使用2个中间轨道。

下面以发射地球同步卫星过程为例介绍运载火箭的发射轨道。发射地球同步轨道卫星通常采用具有中间轨道的发射轨道。计算结果表明，对有限级数的运载火箭来说，随着中间轨道个数的增加，发射地球同步轨道卫星的能量也随之增加。同时，随着中间轨道数目的增加，轨道控制也变得更复杂。通常采用1个或2个中间轨道的发射形式。

具有1个中间轨道的发射轨道如上图2所示，其中间轨道为椭圆轨道，近地点高度一般为数百千米，远地点高度为同步高度(约36000 km)。发射过程为：运载火箭先在K1点进入中间轨道(A)；然后在中间轨道的远地点K2附近变轨，使卫星进入地球同步轨道。

具有2个中间轨道的发射轨道右图所示。其第一中间轨道(A)是数百千米的近地轨道，第二中间轨道(B)是远地点高度为同步轨道高度的椭圆轨道。发射过程为：先在K1点进入第一中间轨道；然后在K2点附近变轨进入第二中间轨道；最后在第二中间轨道的远地点K3附近变轨，使卫星进入地球同步轨道。通常称远地点高度为同步高度的中间轨道为转移轨道(或过渡轨道)，近地点中间轨道为停泊轨道。

由于地球同步轨道要求轨道倾角为0°，在非赤道地区发射地球同步卫星时，必须要求转移轨道的半长轴在地球赤道平面内，即转移轨道的近地点幅角倒 0°或叫 =180°，以保证在转移轨道远地点变轨时，能进入零倾角的地球同步轨道(考虑到卫星在转移轨道运行时，近地点幅角要受到摄动。因此，对初始转移轨道近地点幅角要加偏置量)。由于转移轨道是一惯性轨道，所以可以在轨道上任意点进入，但一般选择近地点附近进入转移轨道。2

运载火箭从发射台点火起飞，首先在稠密的大气层内飞行，跨过声速，经过最大动压 区，然后飞出大气层外，最终将航天器送入预定轨道。运载火箭的飞行轨道经历了垂直起飞段、程序转弯段和入轨段。

运载火箭发射采用垂直起飞的发射方式，与倾斜发射方式比较有一定的优势：首先，可以缩短穿过大气层时间，减少速度的损失，有利于运载火箭迅速穿过大气层。其次，只要运载火箭发动机的推力略微超过火箭的起飞质量，火箭就会飞离发射台，可以充分利用运载火箭的能量，对于迅速加速十分有利。再次，临射前加注、瞄准等工作容易进行，与这种发射方式所适应的地面发射设备简单可靠。

当运载火箭飞离发射台一段时间后，火箭开始按预定的俯仰角程序转弯，对准发射方向飞行。为了减小空气阻力，顺利跨过声速，火箭在大气层内采用零攻角飞行。当火箭飞出稠密的大气层时，一级火箭一般已经分离，改由二级火箭加速。飞离大气层后，整流罩被抛掉，火箭按照最小能量的飞行程序继续转弯，以等角速度作低头飞行。

俯仰角程序是时间的连续函数，以利于控制系统的设计。对不连续的俯仰角程序需要进行平滑处理，使俯仰角速率限制在控制系统所能承受的范围之内。

在稠密大气层内飞行时，要求以接近0°的攻角飞行，以减少气动载荷和气动干扰。火箭飞行时，作用在箭体上的空气动力矩以及由此引起的法向过载与qa值(q为动压，a为攻角)成正比，火箭飞行程序确定后，需要在发射前根据高空风气象预报(高度一般为12～20km)，对qa值进行计算，小于某一给定值时方允许发射。2

运载火箭在这部分轨道飞行时的力学原理大致是这样的：运载火箭在飞行轨道上任一点的速度都可以分解成垂直方向和水平方向的分速。火箭在轨道的每一段都尽量利用它运动所产生的惯性离心力去抵消重力，而火箭的水平分速越大，它所产生的惯性离心力也越大，对重力的抵消就越有效。如果火箭的水平分速小于环绕地球所需的速度时，惯性离心力不足以抵消重力，所以整个火箭的重量还必须借助火箭的推力来抵消。在火箭飞行的垂直段，火箭尚未获得任何水平分速，所以此时全靠发动机的推力来克服重力。当火箭的水平分速到达环绕速度时，克服重力就只需要惯性离心力了，此时火箭的推力就是控制轨道远地点的动力了。3

一般来说，各种运载火箭发射的前2个轨道段差别不大，而入轨段则有2种基本形式，一种是连续推力发射轨道，另一种是具有中间轨道的发射轨道。2

在接近轨道注入点时，火箭做最后的水平加速，达到入轨速度后运载火箭与航天器分离，卫星被送入运行轨道。入轨速度等于入轨点高度的圆轨道环绕速度时，航天器将进入圆轨道运行；高于环绕速度时，将进入以入轨点为近地点的椭圆轨道；相反，入轨速度低于环绕速度，航天器将进入以入轨点为远地点的椭圆轨道，倘若速度过低，近地点将降到稠密大气层内甚至地面，航天器将不能入轨。

入轨段可有直接人轨、滑行人轨和过渡转移入轨三种方式。发射近地轨道卫星可以采用直接入轨方式，由各级运载火箭相继工作，用连续的主动段将航天器直接送入轨道；发射中、高轨道航天器可采用滑行方式入轨，倾斜飞行段的后期是无动力的滑行段，待滑行到轨道高度之后，再进入入轨加速段；发射高轨道航天器和深空探测器时，一般先将其发射到近地停泊轨道，之后再进行轨道转移进入运行轨道。例如中纬度发射场发射地球静止轨道卫星时，一般先将航天器共面发射到停泊轨道，例如近地点约200km，远地点为地球同步高度的大椭圆轨道，然后由卫星在远地点进行复合变轨，同时改变轨道平面和近地点高度，进人倾角为0的地球同步轨道。1

除了飞机携载的小型运载火箭外，一般运载火箭都从地面起飞，最后在预定高度上达到水平方向的入轨速度。发射轨道的选择和设计受多种因素的影响，包括发射场的纬度和位置、航区安全的限制、航天器的预期轨道以及运载火箭的性能等。

设计发射轨道尽量提高火箭飞行的效率，减少重力损失以获得尽可能大的速度增量。但为了获得高质量比，各级火箭的结构都是轻型结构，要求飞行过程中的动载荷不能太高，因此有关飞行轨道的各项参数需在系统层次上选择和折中。

发射航天器多采用共面发射，使发射轨道与航天器轨道在同一平面，以避免改变轨道面而耗费燃料。发射轨道一般包括几个阶段：垂直起飞段、倾斜飞行的程序转弯段和入轨加速段。1

运载火箭的发射轨道因发射目的、发射场条件和火箭性能而异，这里仅以阿里安4火箭的一个发射轨道为例，做简要说明。阿里安44L是三级运载火箭，一、二两级用可贮存推进剂，第三级用液氢液氧推进剂。火箭起飞重量约470t，将4.5t的有效载荷发射到地球同步转移轨道。右图表示火箭发射过程高度、速度、加速度和飞行轨迹倾角等参数随时问变化的曲线。

第一级火箭工作204s，助推器工作135s。前60s垂直向上飞行，其后程序转弯，以200俯仰角开始做零攻角飞行。因俯仰角小，重力损失较小，而高度上升得较慢。第二级火箭工作124s，俯仰角进一步减小，速度很快增加到4.7km/s，高度上升到150km。在90km高度抛掉整流罩。第三级火箭推力约68kN，较小的推力产生的加速度也较小，用较长的工作时间加速，起飞后约900s，高度200km，速度增加到约10km/s，可以进入近地点200km，远地点36000km的地球同步转移轨道。1