航天

重力

地球的引力是太空飞行的主要障碍之一。由于早期科学家的观察和计算，火箭先锋理解牛顿运动定律以及其他的航天原理，但这些原理的应用必须等到火箭动力的发展才能将航天器发射到任务所需的高度和速度。

航天器及其运载火箭被火箭发动机内部的不平衡压力向上投射。在火箭推力室封闭的前端有很高的压力，但在开放的后端有低得多的压力，废气从推力室的喷嘴流出。这种不平衡的力叫做火箭的推力。如果发动机的总推力恰好等于升空时整个航天器-运载火箭组件的重量，那么组件就不会移动。但是，举例来说，如果推力是这个重量的两倍，那么总成上升时的初始加速度就等于标准重力加速度每秒9.8米(32.2英尺)。推进剂质量是消耗从火箭引擎中弹出后，飞船不断地变轻。因此，如果推力保持不变，飞行器的加速度随着上升而增大。

地球对上升的宇宙飞船的引力逐渐减弱。在160公里(100英里)的高度，它仍然是地球表面的95%，在2700公里(1680英里)的高度，它是50%(4.9米/秒/秒)。就航天飞行而言，只有在几百万公里的距离上，地球的引力才可以忽略不计，除非宇宙飞船接近地球月亮月球引力(地球引力的六分之一)成为主导。

大多数宇宙飞船是垂直发射的。但如果飞行器的速度保持垂直于地球表面，它将不会进入轨道，而是最终会掉回地球(除非它能做到)达到一个足够高的速度，以逃避地球的引力影响)。为了进入地球轨道，运载火箭必须旋转，使其速度矢量与地球表面平行。当它达到足够高的速度时，它绕地球弯曲路径的离心加速度恰好平衡了地球在该高度的引力，航天器将进入轨道。

暂存

由于很难达到进入轨道所需的高速，运载火箭需要几个阶段才能达到这个速度。分段技术使用两个或多个火箭系统按线性顺序安装。最初，最后面的第一级被点燃，它(有时由附加的助推火箭辅助)以越来越快的速度提升飞行器，直到推进剂耗尽。在这一点上，一级下降，减轻车辆，第二级被点燃。这一级比第一级小，推力小加速剩下的运载火箭更远。附加级的使用通常遵循相同的模式，直到有效载荷(航天器)达到足够的速度，以提供所需的离心加速度来平衡地球引力并进入轨道。

对于一些任务来说，最后阶段并不在进入太空的初始阶段使用，而是保留在飞行的后一步。例如，由三级运载器运载的宇宙飞船可以利用前两级在地球周围达到一个较低的“停车轨道”。然后，它被推进到更高的轨道或在第三级离开地球。

将有效载荷的速度提高到所需的级数轨道速度这不仅取决于任务参数(例如，轨道高度，发射场的纬度，以及要达到的轨道类型)，但也取决于发射器各个阶段的特性。运载火箭的任何一级所能获得的最大速度增长是由其火箭发动机的性能(由每秒燃烧1公斤推进剂所能产生的推力来衡量)和一级原始质量中推进剂所占的比例决定的。一些早期的运载火箭需要五个阶段才能到达轨道;目前大多数运载火箭只需要两个。尽管开发单级进入轨道的先进技术已经进行了多年的研究(包括使用吸气式发动机以减少运载火箭必须携带的推进剂量)，但“单级入轨”运载火箭已经实现了然而,待开发。

加速度利率

一般来说，太空飞行器离开地球大气层并达到所需速度所需的时间越长，这个过程就越不经济。在低加速度下，运载火箭浪费了大量的推进剂，因为实际上，它在每一秒的飞行中投入了将近每秒10米的速度来抵消地球的重力加速度，加上额外的速度损失，以克服大气层的阻力。最大的加速度出现在最后一级火箭发动机燃烧结束时，此时所有的推进剂已经消耗殆尽，飞行器的质量最低。这个最大值受到飞行器结构或有效载荷所能承受的加速应力的限制。在载人航天飞行中，大约6倍于重力加速度的加速度被认为是可承受的最大加速度人体垂直于加速度，即。头部和心脏在同一水平线上。

探空火箭

探空火箭提供在海拔45-160公里(28-100英里)之间的最大海拔高度之间进行科学测量的唯一方法气球以及轨道卫星的最低高度。它们可以是单级或多级飞行器，几乎垂直发射。在所有火箭级消耗完燃料并下落之后，有效载荷部分继续向上滑行，由于重力的作用缓慢地失去速度。上升速度下降到峰值高度为零，有效载荷开始下降。通常情况下，有效载荷由降落伞回收并再次飞行。在降落伞展开之前，飞行路径遵循抛物线轨迹，飞行时间不超过30分钟。

地球轨道

进入地球轨道通常是这样实现的:从地球表面垂直发射火箭，然后倾斜其轨道，使其在飞行器的航天部分达到所需高度的轨道速度时与地球表面平行飞行。轨道速度是提供离心加速度或拉力的速度，在该高度恰好平衡地球引力对飞行器的拉力。此时火箭引擎关闭。在200公里(125英里)的高度，绕地球轨道飞行所需的速度约为每小时29,000公里(18,000英里)。由于这个高度高于大部分大气，空气阻力不大，航天器将继续在轨道上运行很长一段时间。

绕轨道运行的宇宙飞船完成一圈所需要的时间称为公转轨道周期．在200公里的高度，大约需要90分钟。轨道周期随高度有两个原因。首先，随着高度的增加，地球引力减小，因此平衡地球引力所需的轨道速度减小。其次，宇宙飞船必须绕地球飞行更远。例如，在1730公里(1075英里)的高度，轨道速度是25400公里(15780英里)每小时，周期是两个小时。

在大约35800公里(22250英里)处，航天器的速度是11100公里(6900英里)每小时，它的轨道周期有一个特殊的值。相当于一个恒星日(看到恒星时)，即地球相对于固定恒星的公转周期(约比传统的24小时太阳日短4分钟)。在这个轨道上的航天器具有某些应用所需要的特性。例如，如果轨道位于地球赤道平面上，那么对于地球上的观察者来说，宇宙飞船似乎是静止在天空中的。这个特殊的轨道，叫做a地球静止轨道，用于通信和气象卫星。

上面所有的数字都假设一个圆形的轨道，这对于航天器来说通常是理想的，但很难实现。通常航天器的轨道是一个椭圆，近地点高度(离地球最近的距离)和一个远地点高度(离地球最远的距离)。如果推力可用，航天器的轨道可以通过降低近地点的速度(降低远地点)或增加远地点的速度(提高近地点)而变得更接近圆形。在这种情况下，推力分别作用于飞行方向上或飞行方向上。

在向地球轨道发射宇宙飞船时，运载火箭通常在升空后向东倾斜。向东发射完成利用地球向东旋转给飞行器带来的速度。这个旋转表面的速度在赤道是最大的，大约1670公里(1037英里)每小时，在纬度为1470公里(913英里)每小时卡纳维拉尔角佛罗里达州。在纬度更高的地方俄罗斯的拜科努尔它位于哈萨克斯坦的发射场，表面速度为每小时1170公里(727英里)。将航天器发射到向西轨道是可能的，但是要达到与向东轨道相同高度的轨道，就需要额外的速度，从而需要额外的推进剂开支。

如果宇宙飞船被放入极地轨道-一个穿过地球两极的轨道-它是向北或向南发射的。虽然向东发射的好处没有了，但在垂直于赤道的轨道上发射的航天器还有其他好处。当地球开始转动时轴在美国，宇宙飞船每转几圈就会在全球各地飞行。监测地球环境的卫星，如遥感卫星等天气卫星使用极轨，一些军事监视卫星也是如此。

对于任何发射来说，主要的限制是需要一个轨迹，允许运载火箭的第一级(通常是第二级)下落，这样它就不会撞击人口稠密的地区，这可能会造成人员伤亡和破坏。因此，为了获得向东发射的好处，美国的运载火箭会在大西洋(例如，从卡纳维拉尔角)，欧洲的车辆从大西洋上空库鲁在法属圭亚那而俄罗斯则分别从拜科努尔(Baikonur)和普列谢茨克(Plesetsk)出发，前往哈萨克斯坦和俄罗斯人烟稀少的地区。的约束避免早期对人口密集地区的影响美国从加利福尼亚州范登堡空军基地向南进行极地发射太平洋要求以色列向西发射地中海尽管需要额外的推进剂，并因此减少了可以绕轨道飞行的有效载荷。

从20世纪90年代开始，轨道飞行是使用从高空飞行器上释放的运载火箭进行的。通常情况下，运载火箭是一种小翼多级火箭，由一架改装过的商用喷气式客机的机身下携带到公海上空约12公里(4万英尺)的高度，然后在那里被投放。飞行器在水平位置短暂自由落体后，它的第一级火箭发动机点火，它离开飞行器并开始提升．翅膀，它提供气动升力对于飞行的第一部分，是与第一级的消耗。这种系统能够将轻量卫星(重达500公斤[1100磅])送入近地轨道。

1999年，第一次从海上平台进行轨道发射，地点在太平洋，位于东经154°w的赤道上。运载火箭和有效载荷在一个海港(加州长滩)水平组装，然后由一个改进的石油钻井平台运输到发射地点，在那里安装发射装置并发射。使用海基概念允许非常大的运载火箭，可以将超过5000公斤(11000磅)的有效载荷送入地球静止轨道。

使用移动发射平台的好处是，无论是空中发射还是海上发射，都可以向任何方向发射——最重要的是从赤道向东发射，以充分利用地球自转的价值——同时避免早期运载火箭对人口稠密地区的任何影响。

地球逃逸

为了完全摆脱地球引力，宇宙飞船的发射速度需要达到每小时40000公里(25000英里)。如果它随后没有受到另一个天体的引力影响，它就会像一颗小行星一样进入绕太阳运行的轨道。通过精确的计时，航天器可以被发射到接近地球的轨道上月亮．在的情况下阿波罗在月球着陆飞行中，航天器被放置在计算出的轨道上，在月球引力的影响下，绕月球背面摆动。如果没有进行速度改变操作，宇宙飞船就会绕着月球旋转，然后沿轨道返回地球。通过降低月球背面的飞行速度，阿波罗号的宇航员将他们的飞船置于月球引力所控制的月球轨道上。类似的操作也被用于环绕地球的若干航天器火星,麦哲伦宇宙飞船在金星,伽利略宇宙飞船在木星,近地小行星会合鞋匠(舒梅克附近)的宇宙飞船在小行星周围厄洛斯卡西尼号飞船在附近土星．

所谓的三体问题的天体力学(以阿波罗任务为例，地球、宇宙飞船和月球在相互引力影响下的相对运动)是极其复杂的，没有通解。虽然可以为特定情况写出表达相对运动的方程，但在用于计算远程导弹弹道的高速数字计算机发展之前，不可能有合适的近似解。电脑集成复杂的运动方程数值化，显示航天器在空间中连续位置的完整轨迹，并在任何时间点将实际飞行路径与计划路径进行比较。

行星

由于行星轨道的椭圆性质，地球和其他行星之间的距离是不同的。就地球最近的邻居而言，金星而且火星在美国，所谓的有利发射机会大约每两年出现一次。飞行可以在其他时间进行，但所需的速度更大，时间更长，或者对于给定的运载火箭，有效载荷的重量必须更轻。

从地球到金星或火星的轨道可以计划利用行星轨道关系的变化，在燃料和燃料方面进行最经济的飞行能源．这样有利的路径，叫做Hohmann轨道或者转移轨道，在20世纪20年代被描述。尽管这些轨迹需要的速度最小，但它们的持续时间很长——例如，到火星需要260天。因此，经常使用折衷的轨迹，如的情况水手1969年6岁和7岁。1969年2月24日发射，水手6号在距离地球3430公里(2130英里)的地方经过火星157天后，这颗行星距离地球9280万公里(5770万英里)。

有些轨道利用落入行星的引力场将动量从行星转移到航天器，从而增加其速度并改变其方向。这重力辅助这种技术已经被多次用于将行星探测器送往目的地。例如，伽利略为了在1995年到达它的最终目标，在飞往木星的6年航程中，“嫦娥一号”探测器经过了一次金星和两次地球。

对于行星轨道的同样考虑也适用于宇宙飞船去往深空的其他物体，如小行星和彗星。例如，NEAR Shoemaker的飞行轨迹包含了对地球轨迹的重塑。

将航天器送入环绕行星(或彗星或小行星)的轨道需要航天器的速度有足够的降低，以允许行星的引力捕获它。直到1997年，这种演习都是如此实现利用飞船上的推进系统来提供必要的动力，就像阿波罗号所做的那样。一种叫做aerobraking它于1993年在金星的麦哲伦雷达测绘飞船上首次测试，并于1997年至1998年用于降低金星的速度火星全球测量员，节省了大量的推进剂，从而允许更大的有效载荷飞行。在这个过程中航天器使用它的机载推进系统的短燃烧来放置航天器进入高度偏心椭圆轨道，近地点略低于行星大气层的外边缘。在每次通过边缘时，大气的阻力会使航天器稍微减速，从而减小轨道的远地点。经过若干次飞行后，轨道变成圆形，可以执行轨道任务。2001-02年，同样的过程在火星奥德赛号上再次成功使用，从此成为环绕有大气层的行星运行的航天器的标准做法。

导航

在空间中从A点到B点几乎不可能是直线或匀速运动，因为运动中的物体受到许多影响。空间导航的基础是惯性制导。，指导基于惯性旋转陀螺仪，不考虑外力，也不考虑太阳或恒星(看到惯性制导系统)．通过使用三个陀螺仪和加速度计，航天器的导航系统可以精确测量沿三个主轴的任何正的或负的速度变化。通过改变姿态(围绕一个或多个轴进行旋转)并启动一个或多个推力发动机，航天器可以修正其轨道。

惯性制导系统无论多么精确，都会有微小的误差，这些误差会在漫长的航行中累积起来，从而严重偏离所需的轨迹。因此，许多行星探测飞船都采用了恒星跟踪器，它的小型望远镜跟踪几颗预先编程的恒星，从而提供了精确的连续对航天器位置的天体“固定”，并指示航天器的计算机纠正惯性制导系统。当资金充足时，一些深空探测器在地球上由人类飞行控制人员监控，他们不时向航天器的计算机发送命令，以纠正航天器的航向。

在发射阶段，对计划飞行路线的偏差的修正通常是通过运载火箭上的小型推力发动机，通过火箭排气喷口的偏转，或通过摆动一个或多个万向架中的火箭发动机来完成的。在两个航天器之间的交会和对接的情况下，雷达数据通知机组人员，或者在自动机动的情况下，计算机，沿着每条轴需要修正。随着卫星的实施导航星全球定位系统（全球定位系统(GPS))在20世纪80年代，地球轨道上的宇宙飞船得以以几厘米的误差来验证它们的位置，并以每秒几厘米的误差来验证它们的速度。

交会对接

交会是将两个航天器结合在一起的过程，而对接是它们随后的相遇和物理连接。交会的基本要素是轨道轨迹的匹配和一个航天器在另一个航天器的近距离运动，通常在100米(330英尺)内。理想情况下，两个航天器也应该位于同一轨道平面上。

一般来说会合任务中，一艘飞船已经进入轨道，第二艘飞船将被发射去迎接它。为了实现交会，第二艘飞船的发射时间被控制在几分之一秒之内。由于轨道上的宇宙飞船相对于地面上的第二艘宇宙飞船已经有了很高的速度，第二艘宇宙飞船在第一艘宇宙飞船飞过头顶之前就已经发射了。其目标是在第一艘航天器下方建立共面轨道。在这种情况下，第二艘飞船在较低的轨道上，以较快的速度飞行，并将超过第一艘飞船。当它稍微领先于第一艘飞船时，它会启动推进器，使它在轨道上上升，从而减速，直到它与第一艘飞船的轨道高度和速度相匹配。雷达系统和机载计算机是这种操作所必需的。

双子座1965年的6号和7号是第一个完成交会的航天器。在阿波罗登月任务提升登月舱的一级从月球表面上升，与轨道上的指挥舱会合并对接。俄罗斯联盟号宇宙飞船和美国航天飞机轨道飞行器已经常规地与地球轨道飞行器会合并对接空间站．美国依靠宇航员进行近距离交会和对接，而俄罗斯航天器可以利用苏联太空计划开发和改进的技术自动进行这些机动。

由于有效载荷的限制，超过一定尺寸和复杂性的航天器不能一次发射到地球轨道。建造像国际空间站这样的大型建筑——或者类似的，未来载人火星之旅的航天器或大型太阳能空间站——都需要可靠的交会和对接技术，这些技术可以用来将各个部件分别发射到轨道上。此外，空间人员轮换和紧急救援任务需要有交会和对接能力。

再入而且复苏

再入是指航天器返回地球大气层。围绕地球的相对致密的气体层是有用的制动力，或缓速力，由气动阻力产生。一个伴随的然而，影响是由于在快速移动的航天器前大气空气的压缩而引起的严重加热。最初，隔热罩是由烧蚀材料制成的，这些材料可以带走再入大气层时散发的热量，但航天飞机引入了耐火材料——硅瓦和增强碳-碳材料——可以直接承受热量。较新的车辆设计采用主动冷却和难熔金属合金。

固有的航天器的安全再入是对再入角度的精确控制。为阿波罗，这个角度相对于地球的地平线是- 6.2°。如果再入角度过浅，航天器将跳过大气层或从大气层反弹回太空。如果角度太大，隔热板将无法承受极端的加热速率，航天器也无法承受高减速力。返回阿波罗指挥舱以每小时近40000公里(25000英里)的速度接近地球。即使有一个令人满意的再入角度，太空舱的隔热层也要承受接近3000°C(5400°F)的温度。

在最后阶段血统在美国，一些航天器——尤其是太空舱型载人飞船——会使用降落伞，将飞行器降低到软着陆状态。阿波罗指令舱使用这种技术进行海洋溅落。俄罗斯联盟号航天器传统上是在地面软着陆。小型无人驾驶航天器，或从卫星上弹射出来的物体(如摄影胶片胶囊)，已被飞机在半空中回收，同时仍通过降落伞降落到地球。有翼飞行器的再入过程航天飞机轨道飞行器明显不同:它通过滑翔降落，并像普通飞机一样降落在跑道上。