独自爬高2万公里！难道“星坚强”比火箭还厉害？

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出品：科普中国
制作：寒木钓萌
监制：中国科学院计算机网络信息中心
《中国“星坚强”独自爬升2万公里，到达3.6万公里预定轨道》,第一眼看到类似的新闻标题时，不少网友最初的反应是：
这小编实在是粗心！我们可都是爬过楼、爬过山的男子！爬升2万公里，哪那么容易？
如果一颗小小的卫星都能自个儿爬高2万公里，那还要火箭作甚？那些近地轨道的卫星距离地面也才几百到两千公里！你瞧它们哪一个是卫星自个儿蹦上去的？

然而“星坚强”没骗大家，它确确实实爬高了2万公里。现在的问题是：
它如何做到的？
又是怎么爬的？
“星坚强”其实是火箭的最末级
多级火箭优势明显！就好比，沙僧背着八戒去爬山，爬到半山腰时，沙僧用最后一口气叫醒了在他背上熟睡的八戒。
“嗨！醒醒！到你了！”
八戒揉揉睡眼，从沙僧背上跳下来后，他弯腰佯装要背沙僧，可沙僧刚扑上去时，八戒却像马儿一样，向后弹起一腿……
在沙僧坠落悬崖的惨叫声中，八戒轻装上路，最终，他爬到了峰顶。
此为二级火箭！
如果是三级火箭，则可能是悟空将八戒踢下悬崖。如果是四级火箭，那么能一览众山小的只有小唐同学。
搭载“星坚强”的长征三号乙运载火箭为三级，此时，自带燃料的“星坚强”，你可以将它看成是火箭的“第四级”。
因此，并非“星坚强”有多强，而是它的燃料只用来推进它自己，如此轻装，当然能爬得更高。
总之，多级火箭的特点是，后一级都比前一级蹦得更高。
牛顿说：如果我看得更远一点的话，那是因为我站在巨人的肩膀上。
星坚强说：我爬得更高，那是因为我站在牛顿的肩膀上。
霍曼转移轨道
“星坚强”之所以能成功登顶，跟它走了一条相对节约燃料的大道是分不开的，这就是霍曼转移轨道。
想象一个画面，一只大雁与歼20在同一个高度下比翼双飞，但歼20嗖一下就不见了踪影，而大雁几乎还楞在原地扇翅膀。这就是说，在地面附近的同一高度下，不同的飞行器可以有不同的速度。
然而，太空中的卫星则不同，只要两颗卫星所在的轨道高度相同，则它们的轨道速度必相同。规律就是，距离地面越高，速度越小。如下图：

卫星的轨道速度与卫星的质量无关，例如，1万公里高的太空，有颗卫星重如泰山，另一颗卫星轻如鹅毛，但是，这两颗卫星的轨道速度是相同的——都是4.9公里/秒。
卫星绕地球高速运动会带来一个离心力，同时地球对卫星有引力，当离心力与引力相等时，卫星便能长期环绕下去了。
而距离地面越近，地球对卫星的引力越大，此时，只有卫星的轨道速度很大才能带来更大的离心力，如此才能抵消。
现在，咱们开始说霍曼转移轨道。
所有卫星的轨道都是椭圆轨道，只不过有的很“椭”，而有的不是那么“椭”。为便于说明，我们先从圆轨道开始说起。

如上图，轨道高度为h的圆轨道，h等于400公里。假设“星坚强”所在的位置为P1点，此时，如果“星坚强”突然发力(发动机点火)，并让它的速度增加了0.1公里/秒，那么，“星坚强”将何去何从？
答案是，“星坚强”所在的圆轨道将会变成椭圆轨道。

如上图，在近地点P1时，“星坚强”开启发动机，速度增加0.1公里/秒后，它的轨道变成了椭圆轨道，近地点还是距离地面400公里，而远地点距离地面却是750公里了。
给人的感觉是，“星坚强”一下子爬高了350公里，然而，此时的350公里还是一种“虚高”，因为近地点依然是400公里。
该怎样做才能让“星坚强”货真价实地提升350公里高度？不难，当“星坚强”运行到远地点P2时，再次发力，速度进一步增加。则“星坚强”就能将这个椭圆轨道变成一个更大的圆轨道了，这就等于“星坚强”爬升了350公里高度——此为利用霍曼转移轨道爬高的全过程。
如下图：

上图中，“星坚强”最初在P1点，它加速后，变成椭圆轨道（红线和黑虚线组成的椭圆），“星坚强”沿着红线部分的轨迹爬到P2点时，它再次加速，于是“星坚强”得以从椭圆轨道变成大圆轨道，并提升350公里高度。
上图中的红色路径即为霍曼转移轨道。而黑色的虚线路径，“星坚强”实际上并没有走。当然，它也可以来来回回不厌其烦地走，只是这样就浪费时间了。
可以看到，如果是利用霍曼转移轨道爬高，则“星坚强”只开启了两次发动机，相对来说节约燃料。重复此步骤，“星坚强”便能步步等高。

关于“霍曼转移轨道”的其他疑问

不少网友可能会问，既然前面说了，卫星距离地面越近，其轨道速度就越快。而“星坚强”在P1点和P2点都发力加速，按理，“星坚强”的速度是提高了的，如此，“星坚强”的轨道应该更靠近地面才是……
应这样去理解，“星坚强”在P1点提高了速度，而速度增大后，离心力也增大，于是它具有了逃离地球引力的趋势，正是靠着“这股劲”，它爬升了P2点，若此时“星坚强”没发力，它将持续运行在红线和黑虚线组成椭圆轨道中。

而在这个椭圆轨道里，“星坚强”在近地点的速度依然是大于远地点速度的。这跟上文说法吻合。
另外，当“星坚强”将自己400公里高的圆轨道提升到750公里高的大圆轨道后，此时大圆的轨道速度依然是小于原先小圆轨道速度的。没错，“星坚强”是开启了两次发动机，并两次让自己的动能增加了，但这个动能最终拿去换高度了。
新闻里说，“星坚强”耗时16天，10次重新点火变轨，从而让自己爬高2万公里。此过程，你可以理解成“星坚强”走了数次霍曼转移轨道。
运载火箭没有“送佛送到西”，这种事我国和其他国家以前都出现过。但像“星坚强”这样，刚送到吐鲁番就被扔下的，在我国还是第一次。

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