能不能像航母彈射飛機一樣,在地面或者發射架上給火箭一個初始推力,然後點燃節約燃料?

賣驢買車一葦渡


火箭彈以射形式發射的技術已經廣泛應用了,這種發射形式的專業術語叫做“冷發射”,比如路基防空部隊裝備的紅旗-9遠程防空導彈、俄羅斯的S-300、S-400防空導彈、東風-26彈道導彈、巨浪潛射彈道導彈、長征十一號固體燃料運載火箭甚至是“前衛”系列便攜式防空導彈等等火箭都採用“冷發射”技術進行發射的。冷發射是一種藉助輔助動力把導彈從發射筒內彈射出去,在火箭到達一定高度時再點燃主發動機的發射方式,冷發射的優點總的來說有三點:第一、使火箭在發動機點火前獲得一定的起飛初速度,減少火箭發動機克服靜阻力能量消耗(靜阻力指飛行器從“0”速度加速到起飛速度時所受到的空氣阻力);第二、火箭發動機所噴射的高溫燃氣流不會對發射裝置、周圍環境產生影響,由於火箭是彈射升空後才開始點火的,因此發動機工作時產生的高溫燃氣流對發射場基本無影響,無需防止燃氣流的燒蝕和沖刷設備,不需導流、排焰、燃氣流處理等措施;第三、具備全天候、無依託發射的能力。所謂無依託發射,就是不需要專門的火箭發射場,不需要勤務塔、不需要臍帶塔、不需要導流槽,連發射臺都不需要,只要有一片平地就可以了。


▼下圖為火箭軍正在使用“冷發射”技術彈射發射東風-26彈道導彈,在空中點火的導彈所噴射的高溫燃氣不會傷害到導彈發射車。

彈射升空的冷發射並不能節約火箭發動機燃料

採用彈射形式讓火箭升空後再點火的發射方式的初衷並不是希望以此達到節約燃料的目的,而是上述中的那三個優點,尤其是第二點和第三點。以全長20.8米,重58噸,起飛推力120噸,最大射程700公里(載荷重量400公斤)的長征十一號固體燃料運載火箭為例,發射時在炸藥的作用力下火箭被彈射至距離地面/海面約60米的空中,然後發動機點火併在72秒的時間內加速至第一宇宙速度(即7.8 千米/秒)。可見相對於700公里的射程以及7.8 千米/秒的速度而言,彈射升空的“冷發射”並不能起到為火箭發動機節約的作用,或者是這種作用是微乎其微的、可忽略不計的。


▼下圖為從發射筒中彈射升空的長征-11運載火箭,它將在半空中點火然後飛向太空。

再用“前衛”系列便攜式防空導彈來例舉(前衛-3型):該型防空導彈最大射高為5000米,有效射程3000米,固體燃料發動機工作時間為2秒。由於便攜式防空的發射方式大多為士兵肩抗發射,而導彈發動機在點火時會噴出大量高溫燃氣,為了避免在發射時高溫燃氣燒傷士兵,便攜式防空導彈也採用彈射升空的“冷發射”進行發射,即導彈被炸藥爆炸時所產生的燃氣彈射升空約0.6~1秒後火箭發動機才點火。這麼做的原因絕對不是為了節約燃料,而是出於安全考慮,況且彈射升空的速度只能為導彈提供有限的克服靜阻力動能,而導彈飛向目標的飛行動力主要來自於火箭發動機在2秒內燃燒燃料時所得到的飛行初速,就像離開槍膛的子彈一樣,射程的遠近以及威力完全取決於在槍管被被子彈燃氣加速時所得到的的初速,絕對不會因為子彈是在高速運行的交通工具中發射而提高子彈的有效射程和殺傷力。


▼下圖為正在發射“前衛-3”便攜式防空導彈的陸軍防空小組,彈射升空的導彈將在距離陣地安全空域中點火。

火箭彈射升空的“冷發射”與航母艦載機彈射起飛的區別

我們首先以紅旗-9遠程防空導彈為例,在垂直髮射過程中首先需要發射藥將發射筒內的導彈彈射升空,此時導彈得到一個從靜止狀態“0”到大約220公里/小時的初始速度;當導彈的火箭發動機在空中點火以後,在發動機的加速下導彈將高速飛向目標,此時導彈的速度將從220公里/小時在大約8秒鐘的時間內加速到約4倍馬赫(即1360公里/小時),此時導彈發動機內的燃料已經耗盡,導彈將繼續以4倍馬赫的初速撲向目標。


▼下圖為彈射升空後準備空中點火的紅旗-9遠程防空導彈,它將在點火後8秒鐘以內加速到約4倍馬赫的飛行速度。

而航母在彈射艦載機升空時是在彈射器的作用力下直接將飛機加速到起飛速度。我們以以美國的F/A-18“超級大黃蜂”艦載戰鬥機為例:在起飛重量為18200千克時,該型艦載機在強勁甲板風環境下需要在彈射器的加速下達到215節的速度升空離艦(約397公里/小時),而該型艦載機的最低飛行速度要求不低於160節(約296公里/小時)。可見艦載機在航母上彈射升空時所得到的的速度就高於其飛行所需最低速度,而且這種速度是可控的,飛行員可以通過操縱油門來實現起飛速度、巡航速度、最大速度的轉變。


▼下圖為正在航母上使用彈射器彈射起飛的F/A-18“超級大黃蜂”艦載戰鬥機。

綜上所述我們得出這樣的結論:火箭彈射升空的“冷發射”方式並不能達到節約燃料的目的。火箭節約燃料的方法從來都不能從“彈射升空”的冷發射方式或者直接點火的熱發射中獲取,要解決節為火箭約燃料的問題,目前只能從一種方式中獲取辦法:發射位置和發射方向的選擇,即選擇較低緯度的發射位置和向東發射。這個辦法與地球自轉帶來的初始速度有關,火箭要到達預定軌道需要一定的速度增量,利用好地球自轉的初始速度,這個速度增量就可以小一些,從而達到使用最少燃料入軌的目的。


▼下圖為正在準備使用發射筒冷發射“彈射升空”的長征-11運載火箭。

節約火箭燃料的正確做法

首先,地球自轉的角速度是恆定的,即地球自轉角速度=地球自轉一週轉過的角度/所需時間=360°/23小時56分4秒≈15°/小時,平均角速度為7.292x10-5rad/s。地表線速度和半徑成正比,在赤道線速度最大,於此同時,緯度越低軌道與赤道夾角越小,自轉初速度在軌道方向上的分量就越大,所以在較低緯度發射更有利,即:當自轉角速度平均為7.292x10-5rad/s時,赤道上的自轉線速度為465m/s。


其次,地球自轉方向是由西向東(從北極俯視為逆時針),即自轉提供的速度的方向是由西向東的,發射方向應與此相同,即向東發射,3正確,排除D項,若發射方向與此相反,地轉速度會造成反面影響,那就不是節省燃料而是浪費燃料了,值得一提的是,以色列的火箭都是向西發射的,其原因主要是地緣政治方面的因素。這就是我國衛星發射中心開始向海南轉移以及建設一座噸位僅次於美國的海上火箭發射平臺的原因。


▼下圖為正在海上平臺發射升空的長征-11運載火箭。

當然了,為了達到最大限度的燃料節約目的,最極端的辦法時蘇聯人發明的“空中發射”!大家都知道從地面向太空發射航天飛機是需要大型火箭組合才能完成的事,比如美國77噸重的“挑戰者”號航天飛機需要火箭組合消耗近700多噸液氫液氧推進劑才能飛抵太空預定軌道。蘇聯人為了節約這幾百噸燃料,特意設計了一款人類史上最大的飛機——安-225“夢幻”運輸機,它是為運輸暴風雪號航天飛機而研製,最大起飛重量640噸,貨艙最大載重250噸,機身頂部最大載重200噸。它的通途就是在機背上揹負重達105噸的暴風雪號航天飛機,當飛行至10000米高空時釋放航天飛機,通過航天飛機自身動力從這個高度飛向太空預定軌道。在高空發射自然是能節約很多很多燃料的,但是飛機的研發加上飛機自身運營成本卻遠遠超過了運載火箭組合加上700噸燃料的價格,因此這種“空中發射”方式只實施過一次就被徹底放棄了,節約燃料的初衷反而使該項目成為人類史上最昂貴的航天器發射工程。


▼下圖為正在執行“空中發射”任務的安-225大型運輸機,它背上揹負的就是暴風雪號航天飛機。


兵器知識譜


自從美國“和平衛士”項目重啟,火箭助推發射技術也跟著開始熱鬧起來。

網上現在就有款益智類遊戲,叫做“彈射火箭”,也跟著熱鬧。在航天大國多以自力火箭為主的今天。

助推也不是不成,俄羅斯在海上的發射活動,就是以助推起飛的。如圖,今年6月5日我國發射的長征-11號火箭也使用了助推技術,世稱安全、靈活、經濟、高效,節省了火箭燃料,提高的是運載能力。

其實火箭彈射技術,已經發展了幾十年,也不無成功的先例,如我們所知的蘇聯“呼嘯”號和“第伯聶”等火箭等,只是不像飛機那樣受到世人關注,距離我們的生活較遠而已。

導彈的鼻祖德國V1,即以發射起飛,使用的是一根36長的導軌,以高溫高壓氣體賦予其580公里的初始速度,飛到空中,然後自身的脈衝衝壓火箭發動機再點火。

其技術被美蘇分別借鑑。直到1960年,美國突破了固定火箭發動機可靠點火後,才發展出自己第一款潛射彈道導彈,這便是如人們熟知的“北極星”,有稱冷彈發射。以壓縮空氣的方式,先把導彈推出去,不似蘇聯那樣直接在潛艇上自推點火。

“冷戰”時代你追我趕,蘇聯很快以燃氣發射技術打造了SS-18“撒旦”,並用於商業發射,大名就叫“第聶伯”,實現一箭37星的記錄。彈與箭本來就是相通的嘛。以後技術又得到新的提高,推出了發射筒發射的SS-11,並打造出自己的“呼嘯”號火箭。

彈射發射好是好,載荷,不論是人還是物,都有點承受不起。所以大部分火箭都是在火光沖天中,緩慢的靠自力起飛的。如美國大部分火箭,都靠自力。

不過技術實驗嘛,一切都值得嘗試,何況還有節約燃料的優點。更有人把腦洞開得挺大,要以電磁彈射發射火箭,想法是好,在可見的未來50年內,實現的可能性不大。


魂舞大漠


這個事情啊,其實早就有研究了!聞名世界“布爾大炮”,這門大炮研究是在上世界60年代,布爾博士在加勒比海的巴巴多斯島建了一門巨炮,炮管長達36m、口徑424 mm的巨炮,為了增加射程,還設計了這門大炮專用的火箭助推增程彈丸,說白了就是大炮發射火箭的思路!

這門大炮設計的初衷就是用來發射人造衛星,這門炮進行了多次試驗,取得相當不錯的成就,曾經將一顆190公斤重的彈丸成功拋向180km的太空,至今也是世界記錄,也正是因為有了大炮射衛星的思路,因此現在威力更強大的電磁炮,沒有理由不能發射衛星的,只是各國沒有投入得還不夠多。目前中國和美國都有研製電磁發射衛星技術,不過還在初級研究階段,至於什麼時候成功還不好說!

美國NASA已經取得了一定的成就,目前我國正在研發“地面大型電磁彈射系統”發射的電推火箭“羽舟”的研製計劃,該預計2020年完成電磁發射演示系統建設,顯然要像研發成功還有很長的路要走!電磁發射的優點是成本低,操作安全、適應性強,而且發射過程中給予火箭系統一個較大初速度,還可以反覆的使用,發射一些小型衛星優勢非常明顯!


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