原创 哈尔鲍曼9000 科学剃刀

介绍

为什么不从山顶发射火箭？它将在高度上更接近太空，因此旅行距离更短，并且由于该高度的压力较低，空气阻力会更小！

乍一看，这听起来很合理。让我们考虑一下将火箭从海平面提升到四公里（~13,000英尺）的高度需要花费多少燃料，而火箭的第一级消耗了大部分（或全部）推进剂。如果火箭不是在海平面起飞，而是在大部分大气层上方起飞，那么它可能会更小、更有效率吗？

苍蝇飞过派克峰山顶发射台的 3D 渲染。

另一个经常出现的奇妙问题是“他们为什么不从赤道发射火箭，这样火箭就可以充分利用地球的自转，帮助它进入轨道？

赤道发射到近地轨道（LEO）的飞行剖面。

让我们考虑这个问题。为什么我们没有充分利用我们赖以生存的星球？它为我们提供了自由能源，不是吗？从不同位置发射火箭的性能差异有多大？

在这篇文章中

在这段视频和文章中，我们将研究从地球上不同位置发射火箭的物理原理。我們將回歸從山頂或接近赤道發射所涉及的問題，我們將嘗試找出為什麼我們不會經常看到這種情況發生，如果真的有話。

然而，在我们深入研究之前，我们应该建议你已经看过 Everyday Astronaut 的视频和文章“空间与轨道之间的区别”，因为它们讨论了“空间”的起点、卡门线、远地点和近地点，以及其他一些我们可能觉得有助于理解的术语。

说了这么多，这是两个简短系列中的第一个视频和文章。在下一个视频和文章中，我们将讨论其他一些问题，例如“为什么不使用其他技术，例如喷气发动机，来帮助提高火箭发射系统的效率？”，或者如何从飞机上发射，或者使用磁悬浮系统来帮助“投掷”火箭像弹射器一样。

从山顶发射

乍一看，这个问题似乎是有道理的。你不仅离太空更近，因为你离地球重心更高，因此离地球重心更远，而且高空的大气层不那么厚，所以有可能使用更真空优化的喷嘴，并且火箭路径前方的空气更少。

如果我们能在第一级的发动机上使用更大、更长的喷嘴，我们将从发动机中获得一些效率，因为喷嘴的工作是将高压、热废气转化为以非常高的速度移动的低压、低温气体。喷嘴越大，在将缓慢移动的高压气体转化为低压、高速移动的较冷、低压气体时，它能够做的工作就越多。然而，我们可以制造出即使在稀薄大气中也能工作的喷嘴有多大是有限制的。

真空优化的发动机和喷嘴的图示。

喷嘴尺寸

较大的喷嘴可以将排气压力降低到环境气压以下，尤其是在环境气压最高的海平面上。这可能会导致喷嘴出口处的气流分离，并可能损坏发动机。

通过观察猎鹰 9 号火箭的 3.7 m 直径，能够清楚地看到海平面发动机和真空发动机之间的区别。这能够在第一级安装9台海平面发动机，但在上级只能安装一台真空发动机。在载物台分离过程中，可以清楚地看出上载物台喷嘴的宽度。视频显示，它几乎与整个火箭一样宽。

猎鹰9号第二级，配备单真空优化的梅林发动机（图片来源：SpaceX）

作为一般经验法则，让喷嘴出口处的压力低于周围空气压力的 40% 左右并不是一个好主意。这意味着在海平面上，标称压力为 1 bar（根据定义），喷嘴出口处的排气很少低于 0.4 bar，因此我们可以避免流动分离。

火箭喷嘴内的流动分离图示。

场景

让我们想象一下，我们确实想从山顶发射。为了尽量减少任何现有发射提供商的变化，让我们假设我们是来自美国的联合发射联盟 （ULA），其总部位于科罗拉多州，离丹佛不远。

既然我们现在的“后院”有落基山脉，为什么我们不应该为没有固体火箭助推器的 Delta IV Medium 选择一个新的发射场呢？（是的，我们确实知道这枚火箭已经退役，但它是我们使用的有用例子。

在这种情况下，我们选择在派克峰的顶部放置一个新的发射台，因为它靠近劳动力，它有一条铺砌的道路一直延伸到山顶，并且相当高，山顶海拔 4,302 米（14,114 英尺）。在这个高度，大气层的密度已经比海平面低40%。

性能

这意味着我们可以增加喷嘴的尺寸，这反过来又可以在火箭的第一级上提供几个百分点的效率。在这个例子中，新的、略微扩大的喷嘴在发射场将达到 380 秒的比冲，在真空中达到 420 秒，而标准 RS-68A 发动机在真正的 Delta IV 介质上分别获得 360 秒和 412 秒。

派克峰和海平面的 Delta IV 中等性能值。

这在Delta IV上可能是一个实用的选择，因为第一级只有一个发动机，即没有可能与喷嘴碰撞的相邻发动机，因此喷嘴可以扩大这些特殊的山地发射版本。所以，现在的问题是，这实际上意味着什么？

如果Delta IV中型火箭从肯尼迪航天中心发射，它将能够携带大约8.5吨的重量进入轨道。这与我们在派克峰的新发射场相比如何？有效载荷能力将增加约1,000公斤，达到9.5吨。这是一个相当健康的增长。

Delta IV 派克峰和海平面的中型有效载荷能力。

然而，从更高的高度发射在“更接近太空”方面几乎没有优势。与火箭最终将达到的 4 公里高度相比，4 公里的适度增益 100 公里，在宏伟的计划中并不多。

速度

其他没有太大区别的是以较高高度发射获得的速度，因为无论您的发射位置如何，地面的速度都大致相同。

如果你看过“轨道与亚轨道”的视频，或者读过这篇文章，你可能还记得，即使你从太空开始，你仍然需要大约7,900米/秒的水平速度才能达到稳定的轨道并停留在太空中。

物体的水平速度与LEO轨道速度的比较。

这意味着我们可以通过使用更高效的发动机喷嘴来观察可用的收益，该喷嘴为相同数量的推进剂提供更多的 delta V，以及空气阻力的相对降低。然而，我们没有观察到增加发射场高度的任何显着优势，事实证明，这实际上可以忽略不计。

不管我们到目前为止说了什么，从大约10吨的基本有效载荷增加1吨的有效载荷能力似乎相当有用。那么，这里的障碍是什么呢？为什么我们没有看到从派克峰等山脉发射的火箭？

陆上航班

有几个问题我们还没有讨论。例如，将发射台设在内陆，远离海洋环境的最大障碍可能是，现在我们的火箭必须飞越陆地，几乎可以肯定靠近人口稠密的地区和个人财产。在美国和许多其他国家，这根本不是可以接受的。对于美国来说，美国联邦航空管理局（FAA）并不欣赏高爆炸性火箭飞越人口稠密地区 - 特别是因为即使在名义上的操作中，传统的火箭助推器在飞行几分钟后就会被抛弃，并将在距离发射场几百公里的范围内坠落到地面。

br/>德克萨斯州麦格雷戈垂直着陆测试期间的异常。该地点不再允许进行此类测试。（图片来源：SpaceX）

对于在最近的海洋上空发射来说，这并不是一个大问题。对于所有此类发射，都会提前发布有关限制空域和海上船只可以安全作业的区域的警告，以确保每个人的安全。这可能会影响航空公司的飞行计划，也可能影响石油钻井平台、渔船和游艇等休闲船的运营。

最近猎鹰9号发射的海洋限制（NOTAMS）。（图片来源：美国海岸警卫队/太空发射三角洲 45）

如果在美国内陆发射，无论是从48个大陆州还是阿拉斯加和夏威夷，这根本不可能。不幸的是，对于居住在俄罗斯和哈萨克斯坦等国家村庄的一些人来说，他们最终可能会生活在一个巨大的金属管的飞行路径下，该金属管可能会在火箭发射后返回地球并降落在他们身上。

运输

我们应该考虑的另一件事是，每次发射时，不仅要运输火箭，还要运输其所有推进剂，一直到山顶。这不是一项微不足道的工作。例如，在我们的场景中，通往派克峰顶的道路非常蜿蜒，即有很多曲折，并且还受到恶劣天气条件的影响。这意味着很有可能一开始就不可能将大型轨道火箭送上山顶。

为了实现这一点，对于我们场景选择的火箭，我们必须修改从火箭工厂一直到山顶的路线上的道路，以容纳火箭，在Delta IV中型的情况下，火箭的宽度为5 m。这太大了，无法在美国的任何道路上行驶，而不会关闭道路以让这种情况发生。它还需要专门的运输飞船来装载超大有效载荷（长飞船、重型飞船等）。租用这种运输飞船，以及为孤立的道路封闭提供资金，可能非常昂贵。

这就是为什么现实生活中的 Delta IV 培养基从阿拉巴马州迪凯特的 ULA 工厂一路运到佛罗里达州或加利福尼亚州的原因。ULA有一艘名为“RocketShip”的海洋飞船，它将火箭沿着田纳西河和密西西比河带到墨西哥湾，然后前往任一发射场。

ULA Delta IV第一级被装载到海洋船舶“RocketShip”上。（图片来源：ULA）

公路运输设计

正是这个运输和相关物流问题导致SpaceX将猎鹰9号火箭设计为具有其直径。新的 Falcon 9 正好是 12 英尺 3.65 米宽——这是允许在美国高速公路上运输的最大宽度，而不会产生申报“超大负载”的费用以及此类申报所需的所有费用。

SpaceX猎鹰9号火箭在常规高速公路上运输，不需要特殊护送。（图片来源：Gary McKechnie Television）

因此，SpaceX可以将猎鹰9号火箭从加利福尼亚运送到德克萨斯州进行测试，然后运送到佛罗里达州的发射台或返回加利福尼亚，而后勤问题最少。在一些地方司法管辖区，他们可能需要宽载护送人员的帮助，并帮助在十字路口急转弯，但这些在成本上比长距离运输更宽或更重的货物要有限得多。在更广泛的负载情况下，每个司法管辖区都需要更多的许可和批准。必须处理警察护送、公用事业批准（例如架空电力线）和其他考虑因素。

换句话说，除非我们的工厂恰好紧挨着通往山地发射台的道路，否则通过高速公路运输像Delta IV这样的五米宽的火箭，然后通过折返的曲折蜿蜒的道路在经济上没有意义。

通往派克峰山顶的道路鸟瞰图。（图片来源：谷歌地球）

后勤

还有另一个障碍需要考虑。发射台工作人员和补给品也需要在发射场和最近的合理住宿之间来回摆渡。在我们山顶上，可能没有一家酒店以可接受的价格提供可用的房间。附近可能没有加油站，以便为参与支持发射的飞船加油。在某些情况下，山顶可能位于“干燥的县”，员工可能会不愿被要求留在这些地方，而更愿意从附近限制较少的县通勤。

如果我们忽略上述运营成本，让我们考虑一下对发射台和相关基础设施的投资增加，其中可能包括在飞行路径上向下的跟踪站，以及道路升级，例如拉直急弯和相关事项，其中可能包括修复坑洼。这些成本加起来可能高达数亿美元，甚至数十亿美元——而每次发射的有效载荷能力仅增加1000公斤。

成本

在这种情况下，如果客户的有效载荷质量超过 8.5 吨，客户很可能会选择不同的发射供应商——或者升级到 Delta IV Medium，在发射时将两个固体火箭助推器绑在第一级上。当 Delta IV Medium 飞行时，是的，这是一种选择。客户可以选择无助推器、2 侧助推器或 4 侧助推器。无侧助推器的发射价格约为500万美元，双侧助推器的发射价格约为1000万美元，可以将有效载荷能力增加到12吨 - 整整增加了3,500公斤。

Deta IV 中型，带有 2 个固体火箭侧助推器。（图片来源：ULA）

因此，在极少数情况下，作为发射提供商，您额外的 1 吨能力可能会为您找到新客户，花费所有投资、承担风险和增加的运营成本，搬到山顶发射台在财务上是不明智的，相反，您可以简单地将两个固体火箭发动机连接到火箭的侧面， 并满足客户的需求。侧面助推器对客户的成本将低于创建或更新高空发射场的成本。即使生成山顶发射场的成本分摊到多个发射场和多个客户中，情况也可能如此。

现在让我们考虑一些可能令人惊讶的事情：在我们从派克峰而不是佛罗里达发射的场景中，由于发射位置的变化，我们实际上损失了一些性能。为什么会这样？这不是海拔高度（我们有多高）的问题，而是纬度（我们在赤道以北或以南有多远）的问题。这将我们引向本视频/文章的下一部分。

从赤道发射

除非你认同“平坦的地球”的概念，否则你可能已经知道地球正在绕着自己的轴旋转，而且速度相当快。这就是为什么我们每天都能看到太阳升起和落下，而夜晚的星星似乎从东向西在我们头顶上移动。

由于地球的自转（根据定义，大约每 24 小时一次），在赤道，太空中的速度约为 480 m/s。这是绕地球运行所需的7,800米/秒水平总速度的相当大的一部分。这大约是轨道速度的 6%。

由于总增量 V 与有效载荷能力之间的关系，460 m/s 的自由速度应该会增加有效载荷能力——不仅仅是 6%。

事实上，欧洲航天局（ESA）一直在从法属圭亚那向北五度左右进行发射。法属圭亚那本身不是一个国家；它是法国境内的领土。这使得火箭能够充分利用地球的自转，并研究隔热能力的变化以及其他主题。

我们可以对联盟 2.1 火箭的发射进行一些比较，该火箭可以从哈萨克斯坦的拜科努尔或南美洲的法属圭亚那发射。拜科努尔位于北纬45度左右。

联盟ST号从法属圭亚那库鲁航天中心发射（图片来源：ESA）

联盟2.1a从哈萨克斯坦拜科努尔发射（图片来源：Roscosmos）

比较库鲁和拜科努尔发射场之间的联盟 2.1 有效载荷。

在从法属圭亚那发射期间，联盟ST变体（几乎与2.1相同）可以携带约3,200公斤的重量到达地球静止转移轨道（GTO）。当联盟号2.1A从拜科努尔发射时，它的有效载荷被限制在2000公斤以内。这相当于增加了60%以上的有效载荷能力，只需改变现有的发射场即可。

海上发射

欧空局并不是唯一一个追求地球自转“自由速度”的组织。在不久的过去，一家名为Sea Launch的公司有一个浮动发射平台，他们可以从该平台在赤道上向海上发射火箭。Sea Launch选择支持的特定火箭是Zenit-2SL。这是泽尼特火箭的变体，之前在“整个苏联火箭发动机系列”视频中出现过，使用RD-171，这是有史以来最强大的液体燃料火箭发动机（迄今为止！

在其运行寿命期间，海上发射平台将行驶约11天，覆盖从加利福尼亚州长滩到西经154度（国际水域）的4,800公里，距离基里巴斯的基里蒂马蒂（也称为圣诞岛）约370公里。

海上发射从加利福尼亚州长滩到赤道发射场的旅行距离。

Sea Launch 能够发射 Zenit-3SL 火箭 38 次，但最后一次发射是在 2014 年。这不是一个糟糕的记录，其他人做得更糟。Sea Launch 总共 4 次发射中只损失了 38 次发射。不幸的是，它们于 2014 年停止运营，因为客户认为它们不可靠且昂贵。

后勤

不过，让我们考虑一下。如果他们能够使用（比方说）完全相同的火箭发射 60% 以上的有效载荷，为什么他们没有继续成功？如果它如此有用，为什么不是每个发射提供商都将他们的火箭运送到较低的纬度以获得更好的性能？

在海上发射的情况下，我们可以看到将我们的火箭运送到赤道将要花钱。这种成本可能很高，很可能在燃料、车队和人员方面达到数百万美元。几乎所有的发射台在发射队和当地总部之间都有合理的距离，但即使有这样的当地支持，在发射活动期间在当地地点移动人员确实成为一个后勤问题。

海上发射人员后勤。（图片来源：Sea Launch）

例如，假设您从卡纳维拉尔角（佛罗里达州）飞往法属圭亚那，那里足够偏远，使用商业航空服务可能需要近 24 小时才能到达那里，更不用说乘坐直升机或当地船只前往浮动发射平台了。

现在，这不仅适用于人员，也适用于有效载荷和更换零件。每当出现新问题时，就必须能够将可能需要的每一件物品空运到这些偏远地区。

如果你是像ULA这样的公司，它已经像本文前面所讨论的那样通过驳船运输火箭，那么将飞船从阿拉巴马州的亨茨维尔转移到佛罗里达州的卡纳维拉尔角已经是3,400公里的旅程，而使用巴拿马运河到达加利福尼亚州范登堡空军基地的旅程是8,000公里。

ULA通过海上运输到达发射场。

轨道的纬度和类型

我们可以想象这样一种情况，在这种情况下，ULA可能值得通过水路将其火箭发送到比陆路可以到达的其他发射场更靠近赤道的发射场。

现实情况是，从赤道起飞可能确实会产生最大的不同。如果您的其他选择是东方内陆地区，例如欧洲大陆，则情况确实如此。或者，如果你的发射台在很远的北方，比如俄罗斯和哈萨克斯坦的发射台。

北半球高纬度发射场的例子。

在美国，主要发射场都位于相当遥远的南部，其中大部分发生在KSC的北纬28.5度。弗吉尼亚州的Wallops（火星）每年的发射次数较少，位于北纬38度。SpaceX位于德克萨斯州博卡奇卡的星际基地位于北纬26度。

美国发射场及其纬度的例子。

地球自转提供的这种额外动量，如果我们向高能轨道发射，其影响最为明显。这种轨道包括地球静止轨道，或罕见的等效赤道轨道。最后一种情况涉及从赤道发射，或者在发射/飞行期间至少执行一次能量密集型“狗腿”机动。

如果有效载荷正朝着极地、逆行或太阳同步轨道前进，那么靠近地球的其中一个极点是很有用的。这消除了取消地球自转提供的速度的需要。

极地近地轨道。

这确实意味着，根据你想到达的轨道类型，在赤道上有一个发射台可能会对你的任务造成更大的伤害，而不是帮助它。最终，您需要知道您期望多少次发布什么类型。这将有助于确定哪种发射台最适合您。这归根结底是妥协的艺术。

发射场的位置

另一件需要考虑的事情，我们直到现在还没有讨论过，是发射台的位置。这主要取决于发射提供商可以使用哪些土地。出于政治原因，将新的发射台放置在确切的所需位置并不总是可行的。在美国，发射台通常位于军事基地或其他联邦土地上。的确，近年来，公司正在开发许多私人发射台。但是，新的发射提供商可能不得不接受可用或提供的东西。

如果您能够支持 2 个发射台，一个用于赤道、LEO 和 GEO 任务，另一个用于极地、SSO 和逆行轨道，那么您在技术上处于理想的位置。但是，现在您的成本和物流问题已经大幅增加。

总结

希望您已经知道，能够实现轨道和有效载荷的火箭是令人难以置信的工程壮举，而且它们在性能方面接近物理上可能的边缘。

然而，发生的一个“现实生活”问题是，考虑到所有因素，我们想要实现的目标和明智的目标之间的实用性和妥协。从理论上讲，也许这里讨论的所有内容都表明，我们可以设法让大多数火箭做更多的工作并显着提高它们的性能。

然而，在已经做出的决定背后隐藏着深刻的贸易。如果我们预计选项A的成本约为10亿美元，然后才有可能开始飞行客户有效载荷，而选项B代表20亿美元，那么可能不值得进行这场赌博。

每当我们听到一个问题，可以重新表述为以“他们为什么不......”开头时，蒂姆就会检查一些事情。首先，为什么每个处理此类问题的工程师团队最终都倾向于使用类似的轨道火箭技术和解决方案。

假设您正在建造一个发射场。看完这篇文章，你还想找一座靠近赤道、靠近海洋的高山吗？或者你会满足于已经可用且商业上可行的东西吗？

蒂姆说“他们为什么不只是”。

在这个有限系列的第 2 部分中，我们将考虑从机载平台发射，将喷气发动机应用于火箭，并为火箭提供地面能量“注入”，例如弹弓或磁悬浮技术。“他们为什么不......？”这个话题可以成为这个频道上自己的一个类别！

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原标题：《你问过自己没有，为什么不从山上或赤道发射火箭呢？》

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