鄂元娟|火箭为何不用飞机带到万米高空再发射，这样岂不是省了很多燃料？
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大家在看火箭发射视频时 ， 都会被那腾空而起的壮观场景所震撼 。 大家应该都会注意到 ， 在火箭主体结构的旁边 ， 都会“捆绑”着几个小型的火箭 ， 这些小型火箭其实都是火箭主体结构的“油箱” 。 对于那些执行深空探测任务的火箭来说 ， 由于需要运行的旅程很长 ， 所以所携带的燃料也就很多 ， 拿上世纪美国著名的土星5号巨型火箭来说 ， 其携带的燃料占到火箭总质量的比重 ， 能够达到将近90% ， 而且这些燃料的大部分 ， 都将在火箭发射几分钟内消耗完毕 ， 将火箭带到几万米的高空 。 有朋友不禁要问了 ， 为何不使用航天飞机将火箭带到万米的高空 ， 然后在那里再发射 ， 岂不是可以节省很多燃料？
17世纪末期 ， 伟大的科学家牛顿发现了万有引力定律 ， 确认了宇宙中所有的物质之间都存在着万有引力作用 ， 引力的大小与两个物体的质量乘积成正比 ， 与它们之间的距离平方成反比 。 万有引力的存在 ， 使得两个物体都有着相互吸引和靠近的趋势 。 在微观世界里 ， 万有引力的作用远远没有强核力、弱核力和电磁力的作用大 ， 而在宏观世界里 ， 宇宙星体之间由于都存在着一定的初始运动状态 ， 特别是星体都会以一定的线速度围绕着引力源进行公转 ， 在公转的过程中 ， 星体和引力源之间的万有引力时刻在发生着作用 ， 使得星体每时每刻都在向着引力源的方向坠落 。
那么 ， 为何星体基本上都没有坠入引力源呢？我们可以用两种方法来理解这个问题 。 首先 ， 星体拥有一定的公转线速度 ， 引力源一般都是大质量的恒星 ， 表面也都拥有一定的曲率 ， 那么星体在向引力源坠落的过程中 ， 单位时间内沿着公转轨道切线方向上 ， 其在垂直方向上的分量－即与星体与引力源拉开的距离 ， 与该星体坠落的距离相一致 ， 所以星体一直向引力源坠落 ， 但却一直坠不下去 。
【鄂元娟|火箭为何不用飞机带到万米高空再发射，这样岂不是省了很多燃料？】第二种理解 ， 那就是应用广义相对论的原理 ， 有质量的物体会对周围的时空造成弯曲 ， 周围的其它物体在这种弯曲的时空里运行时 ， 就会沿着两点间的最短距离－测地线进行轨迹的变化 ， 也就是说广义相对论认为引力的本质并非是一种力 ， 而是一种时空的“漩涡” ， 从引力源周围的物体本身来看 ， 它是沿着直线运行的 ， 但从外界来看它的确是围绕着引力源公转的 。
对于一个质量为M、半径为R的星体来说 ， 要想实现围绕其公转 ， 从其表面发射出去的物体所需要的最小线速度V1 ， 必须达到(G*M/r)^(1/2)才可以 ， 这个速度被称为这个星体的环绕速度；如果要脱离这个星体的引力束缚 ， 其最小线速度值V2应该满足大于等于(2G*M/r)^(1/2) ， 这个速度被称为该星体的逃逸速度 。 对于地球来说 ， 从表面发射一个火箭 ， 其环绕速度必须达到7.9公里每秒 ， 逃逸速度必须达到11.2公里每秒 。
从以上两个公式可以看出 ， 当距离地球表面越大 ， 物体能够围绕地球运行或者逃出地球引力束缚的最低速度 ， 就会明显地变小 。 因此 ， 从理论上看 ， 如果将火箭带至地球上空一定的高度之后再发射 ， 所需要的燃料总量肯定要比地球上的少很多 。 但是 ， 为何人们很少应用这种方式进行操作呢？
第一 ， 无论是从地球发射 ， 还是用飞机将火箭带至高空再发射 ， 所需要的燃料总量是差不多的 。 如果从地球火箭的静止状态算起 ， 再到火箭以一定的切向线速度进入预定轨道 ， 不管中间过程是什么样的 ， 其速度的变化量决定着其能量的变化量 ， 而根据动能守恒定律 ， 所需要的能量输入也是一样的 。 之所以从航天飞机上发射火箭省燃料 ， 主要原因在于用飞机将火箭从地表带至一定高度这个前半程中 ， 所需要消耗的燃料更大 ， 能量的作用效果不但将火箭提速 ， 而且还要将飞机提速 。 飞机的重量、相关仪器设备和宇航员等等 ， 都会额外增加负重 ， 因此 ， 从某种意义上来说 ， 从地表发射火箭 ， 反而更为经济 。
第二 ， 从技术难度上看 ， 在地球发射火箭更为安全可靠 。 火箭发射是一项非常复杂的系统工程 ， 要求的精确度异常高 ， 在地面上发射相较于高空发射 ， 要有更高的提前容错性 ， 如果将火箭送入万米高空 ， 但凡有一点差错 ， 即使提前发现了也无能为力了 。 况且 ， 从目前来看 ， 通过航天飞机直接进行在万米高空进行火箭发射 ， 其技术可靠性还没有得到深入地检验 ， 发射过程中的风险实在是太高了 。
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