我们都知道,跳远运动员在起跳前,会先助跑一段距离,随后在起跳点像弹簧般腾空而起;而铁饼运动员,则是手臂挥动铁饼,先加速旋转几圈,再将铁饼投掷出去。这都是利用惯性,使人在起跳前、铁饼在出手时,就有了一定的初速度,可以比静立着跳得更远、投得更远。
发射火箭要顺着地球自转的方向,其道理与跳远和投掷铁饼一样。根据惯性原理,如果顺着地球自转方向发射火箭,火箭就已经具有了一个初速度,这个初速度的大小就是地球自转的速度。地球由西向东自转,其表面的线速度随纬度的不同而变化。故地球自转的线速度并不是全球各点都一样,在南北极处,线速度最小,而越靠近赤道,线速度越大。在南北极的中心点上,线速度几乎等于0,但在赤道上,线速度可达465米/秒(1670km/h)。这意味着在赤道附近以东向发射出去的火箭可以最大程度地利用地球自转的角速度,最小化因地球自转造成的重力损失,使火箭达到轨道速度时所需的额外速度较小,火箭需要的总速度增量较小,因此更省燃料,运载能力更强。
我国海南东部的文昌航天发射场即位于靠近赤道的低纬度地区。NASA肯尼迪航天中心也位于低纬度地区,地处美国东部的佛罗里达州东海岸的梅里特岛。东向发射是这两个发射场的常态。这两个发射场一个濒临太平洋西部海域南海,一个濒临大西洋,故东向发射还能确保火箭残骸落点安全,远离人口密集区。
对于卫星发射,尤其是发射轨道倾角为0的地球同步轨道(GEO)时,低纬度发射场还有一个额外的好处,即卫星一开始就具有正确的轨道倾角,可以直接进入与赤道平面平行的的轨道,后续轨道调整的需求小,任务操作更简化,对于大多数卫星和空间任务来说更为理想。而在高纬度地区发射时,则需要额外的推进剂来改变轨道平面,使卫星最终进入与赤道面重合的轨道。对于其他类型的轨道,如低地球轨道(LEO)或极地轨道,轨道倾角会有所不同,但发射方向仍然一般是自西向东。
发射窗口是指允许火箭发射的时间段,这个时间段的选择主要是确保火箭以最小的能量消耗进入预定轨道。由于赤道处发射的火箭初始速度最大,故东向发射还能提供更宽广的发射窗口。
不过,若发射火箭的推力大到足够的程度时,就不一定必须地球自转的辅助了。不过无论从科学原理、发射成本的角度来考虑,沿着地球自转方向发射火箭,借用地球自转的速度总是有利而无弊的。
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