為什麼不利用飛艇或者飛機在大氣層上方發送火箭?

火箭起飛階段為了克服空氣阻力需要很大的推力,大氣層上方卻沒有空氣阻力的問題,火箭為了在大氣層外工作需要攜帶氧化劑。
有兩個想法
1、用類似齊柏林飛艇這樣的工具把火箭攜帶到大氣層上方在進行發射。
2、用噴氣動力飛機把火箭帶動帶到大氣層上方,火箭在發送的時候還有了一定速度。
為什麼不這樣做,是成本並不合算嗎?

---補充一下
畢竟火箭第一級發射就沒用了吧,即使是太空梭地面的助推火箭也是被丟棄了吧。
小型的如果有,為什麼不做大型的呢?這樣不是降低發射成本的一個思路嗎?


我將從技術和經濟兩個角度回答為什麼空射式運載火箭不見得能大幅度優於地面發射式

6.29晚更新答案,添加於末尾

技術角度:
題主提到了低空阻力大,其實低空的高氣壓對火箭的影響不只阻力這一個方面,它還會導致火箭的比沖降低。通俗地講就是,在高氣壓中燒同樣多的燃料,獲得的推力要比在真空中低。但這些低空的問題會對火箭的整個飛行造成巨大的影響嗎?不見得
先看一張高度vs氣壓的圖表

可見25000米以上,氣壓相對於海平面都快可以忽略不計了
再看發射阿波羅登月飛船的土星五號的飛行高度vs任務時間的圖表

只用了100多秒就達到了25000米這個高度。
換句話說,火箭在低空低效率區的工作時間相比整個任務時間而言非常短

火箭能夠入軌,難點不在於飛得高,而在於飛的快,至少達到第一宇宙速度,即7.9km/s。因此,提高火箭的橫向運動速度,而非垂直高度,才是一次發射中的重頭戲。而當前的火箭發射技術,已經可以讓火箭在接近真空的高空中完成這個重頭戲了
(請隨便找一個火箭發射的視頻看一下,發射後很快火箭就開始像側面轉向,而不是一個勁地向上飛)

不考慮火箭推進的試驗機,如今飛的最高最快的量產型噴氣式飛機是美國的SR-71黑鳥偵察機和蘇聯/俄羅斯用來克制它的米格25/31截擊機,他們都是最高三萬米,三倍音速,大約1000m/s。且不說能扛一個火箭的飛機還能不能飛這麼快,即使能,這個速度還是遠低於7900m/s的第一宇宙速度,這並不能給火箭省多少力。此外,因為火箭的形狀本身不產生升力,脫離飛機後還必須分出一些推力向下噴來防止自己再掉下去(專業名詞叫Gravity Loss,有興趣請自己維基)。而垂直發射的火箭到達這個高度的時候已經有足夠的向上速度矢量,不需要擔心這個問題。總體看來,這一系列複雜的發射計劃只為避開那一點點低空區域,相比傳統的垂直發射能省下多少油真的不好說。

經濟角度
可重複使用真的省錢嗎?依然不見得
為什麼商業發射中,客戶寧願花大價錢去用俄羅斯的質子號火箭,中國的長征系列和美國的德爾塔系列,也不敢用日本的H-2、韓國的羅老號和印度的我真心不知道那個叫啥名的火箭?因為前三者在眾多的發射中已經證明了自己出色的可靠性。

航天發射拼技術,更拼可靠性,把一個火箭系統的可靠性從99%提升到99.5%花的錢可以再造好多個99%的火箭。而對於一次性的火箭和可重複使用的飛機,可靠性這個詞定義是完全不同的。

單就發動機來說,火箭的工作時間只有幾十秒到幾分鐘,只要在這段時間內不會出錯,這個火箭發動機就是可靠的。SpaceX的獵鷹火箭最早的噴口冷卻是靠在內部加一層材料(不知道現在有沒有更新技術),這層材料過熱了就會逐片脫落,從而保護整個發動機。你敢想像你坐個飛機發動機還在不斷往外掉渣嗎?可是火箭上就敢這麼干,因為只要能保證在火箭短短的工作時間內渣不掉完,發射就成功了。

而航空噴氣式發動機上需要考慮的卻多得多,不僅僅是長時間工作,還需要多次冷啟動,熱啟動。更不要說沒有任務時還需要地面大量的人力物力去維護它,使它永遠保持在優秀的待發射狀態。

美國的太空梭就是個理想很美好,現實很無奈的例子。理論上講太空梭的主體和助推器都是可以重複使用的,只有外置燃料箱為一次性使用。可是即便不用造新火箭,預算卻依舊一超再超,畢竟二手車的保養比新車費錢多了。不幸的是,當花了大價錢精心打理這些大傢伙後,哥倫比亞號、挑戰者號依然隕落星海。總體看來太空梭項目的可靠性、每公斤貨物入軌成本最後都不優於傳統一次性火箭。

題主說的發射方式,其實現實中有人在研究,比如維珍銀河的LauncherOne(下圖),中國的長征系列也在試圖發展出一個空射式變種,可是這些我想更多的是為了技術的積累吧。畢竟人類想大規模進入太空,一次性火箭顯然不是長久之計。但在當前這個化學火箭性能難有再大提升,新式發射系統研究屢屢遭遇基礎技術瓶頸(如高溫材料,小體積的液氫低溫儲藏罐等)和預算困擾的時代,在火箭下面綁幾個便宜的固體助推器幫他衝出大氣層最稠密的區域可能真的是一個簡單暴力的最優方案吧。

一些個人觀點:
感覺目前而言比較可能實現的是,一些小型低軌衛星的發射任務,如果現役轟炸機、運輸機稍加改裝就可以發射,那未嘗不可一試,畢竟能省一點是一點。至於傳統(較大的)荷載,如通信、氣象衛星、火星探測器和載人飛船,很長時間內還會依賴傳統火箭。這些荷載的空射幾乎肯定需要開發新的專用飛機,或對現有機型大改。
如果要發展這些新系統,很可能需要土豪牽頭,如相對較不保守的私人航天公司和貌似從不差錢的本朝?預算常年拙計的NASA和歐空局基本上會更偏向於保守路線。

更新2:
另外關於空中發射能給火箭省點油這一點
是這樣的,一個航天系統里燃料其實是幾乎最便宜的部分,貴的都是硬體,比如發動機就是個大頭。可多次使用的發射系統也是為了只燒燃料不扔硬體。如果從飛機上發射火箭,的確可以稍微少帶點油,相應的總重量會減少,發動機也可以做小點,單次發射成本會降低。可是為此要為研製和維護那架飛機,又要花很多錢。如果發射頻率非常高的話,初期花些錢去研製一個新系統也許是值得的(這也是美國人啟動太空梭項目時美好的YY)。可是以現在的發射頻率,各國掐指一算,還是老老實實用傳統火箭才能省下錢餵飽地面上的人啊

更新1:
Q:為什麼火箭起飛時不一開始就朝斜向飛
A:回復 權澤霄 :除了低空阻力大,想加速也快不了多少,還有一個起飛推重比的限制。
推重比,顧名思義推力:重量的值。一般火箭起飛時都只能勉強大於1,土星五號是1.2左右,太空梭1.5。換句話說,如果把土星五號的推力分成12份,其中10份用於防止火箭掉下來,兩份才是能讓火箭真正向上加速的,自然沒辦法把很多的推力用於側向加速。隨著高速上升氣壓降低,原答案中提到的比沖會上升從而使發動機推力增加,外加燃料被消耗使火箭總重降低,起飛後推重比會不斷上升,這時在分推力給橫向加速就沒有問題了。
實際上,火箭的轉向是一個連續的平滑過程,並不是到了某個高度才開始轉向的。這個程序叫重力轉彎(Gravity turn),只不過剛發射時初始轉向角很小看不出來罷了。
大推重比火箭的起飛就可以激進的多,比如美國之前發射的月球探測衛星LADEE,小衛星小火箭,加速賊快,起飛推重比高達2.5,幾乎一起飛就是斜著飛的,詳見下圖

(吐個槽,如果你在自家樓頂看到了這樣的火箭軌跡,電視上卻沒看到火箭發射的報道,那很可能是第三次世界大戰開打了。洲際導彈的發射軌跡大致如此,實際上,發射LADEE的火箭就是個導彈改裝的嘿嘿嘿嘿)===================
宣傳一下剛開的專欄:
航向黎明 - 知乎專欄

別怕,我們用人話來談談Rocket Science


破爛王OSC表示你想到的我早想到了。。。


太空船1號+白騎士

戰鬥機+飛馬座火箭

安-124+單級入軌火箭

有名的就是這幾個組合
不多見的原因是良好的經濟效益需要專門設計雙體飛機,成本太高


補充一下大型火箭為什麼不用飛行器運輸

土星五號起飛重量3038噸
其中光第二級就有480噸,第三級120噸
第一級分離時的高度是68000米

而世界上最大的飛機安-225最大起飛重量640噸,載重250噸,實用升限只有1萬米
那麼問題來了

難道要造一艘女妖出來運輸大型火箭嗎


航。。。航。。太空梭算不算?????


小型的有啊,美國人。再大的載重不夠啊


火箭 那麼大,你要用多大的飛機才能飛起來呀。這麼大的飛機,維護成本可不便宜。火箭省下的燃料錢也不多。


我在《飛越卡門線》里設想過這類技術。首先在三萬米高空用大量飛艇集成一個發射平台。比如十個興登堡號那麼大的飛艇,圍成一個平台,直徑上千米。這個平台上可以組裝,可以發射,還可以住幾個工作人員。可以在那個高度永遠漂浮,如果哪裡壞了,用充氣飛艇送配件上去換掉就是。

到發射時,地面把前兩級火箭和整流罩分別用充氣飛艇送上去,在三萬米高空組裝成火箭,然後打出去。這樣大大降低發射質量,並且所有質量在三萬米內都用充氣飛艇來提升,系統非常便宜。可靠性也大為增加,飛艇出事,慢慢降下來就是,一般不會墜毀。

自從興登堡號著火後,人類一直不發展飛艇。實際上以今天的技術水平,飛艇已經很安全,而且可以造很大。


將火箭用載重裝置運送到高空和火箭自身飛離地面相比,哪個的可行性大些(┯_┯)


只需要從邏輯層面就可以回答,導彈在海底發射好呢,還是在漂浮的船上發射好呢,哪個消耗的能量低訥,撇開工程問題來講。未來的發射革命必然會是高空平台發射啊(遮天蔽日的巨型的剛性的漂浮平台==空氣船-無數材料,工藝,工程革命的結晶,連接無數傳輸攬,將地面材料源源不斷運送到平台,人類在這裡出發,進入太空。)。當然如果克服空氣阻力的能量遠遠小於,加速到第一宇宙速度需要的能量,小到可以忽略。需要計算確認。那肯定是在地面發射是優解。關鍵是以不同的速度把相同的質量物體送到等高的大氣邊沿,消耗的能量是不同吧,大牛計算確認吧。
我想關於時間成本,工程難度,都是另外的問題,僅關係方案選擇策略吧。不同時代不同技術水平不同價值去向都會策略不同。與題主所問無關。


10000米那點高度對於火箭發射全過程簡直沒什麼看的。
而且徒增了很多技術麻煩。除非以後衛星和火箭都迷你化,用空中平台發射還是個好想法捏。
說不定用彈弓都可以來一發。


用臨近空間飛艇呢


關鍵是,脫離地球不只需要高度,還要達到第二宇宙速度,即10.85公里/秒,載機提供的速度或者飛艇提供的高度對它來說並沒有什麼卵用————因為依然要攜帶大量的燃料像在地面一樣點火發射,而運動中的平台也帶來更多的不確定因素。


主意不錯,就可惜一 大波 飛機哭暈在廁所,表示運載火箭放在自己的身上飛不起來。
在飛機上面帶火箭/飛行器在空中飛行是可行的,例如B-52攜帶飛行器做進行高速飛行實驗。
但是火箭的主要目的就是為了向太空中運輸各種物資和衛星,如果要是用飛機運輸的話,成本也是很高的,而且經歷運載、裝載、飛機的起飛、大氣的變化,會對火箭的可靠性要求會更大。本身火箭從躺著拼裝到站著拼裝就是為了提高可靠性和減少工作量,現在又要躺著飛(火箭工程師表示「你TM在逗我?」)……
運輸機的速度目前很難突破1馬赫,更不要說第一宇宙速度,而火箭的一級發動機基本上就可以提供1馬赫+的速度(這個真的是在瞎說,我真的只是說說),所以,火箭碩大的一級發動機還是不能省……,所以只要碩大的xx還是裝在火箭上,那C-5、B-52之流繼續哭暈在廁所,表示還是飛不起來。目前來看,一是飛機不夠快,二是飛機不夠大,所以,還是讓火箭在地面點火吧


難道這不是太空梭么?


@張旭
渦槳渦扇渦輪發動機都有點弱雞,不夠猛,美國火神公司的

比較苟同於吸氣式爆震發動機,老美拿這個GE90出來得瑟,早晚會還的。。。。。。。


飛艇能到大氣層上方?你搞笑的吧。


有,微軟聯合創始人保羅艾倫投資了一家公司就是做這個的。
Vulcan Aerospace
點擊圖片可放大:

有演示視頻:微軟聯合創始人艾倫要造最大太空飛行器-在線播放-優酷網,視頻高清在線觀看
我覺得這個比艾倫馬思科的spaceX搞的那個一級火箭回收要可靠好使得多。而且一級火箭回收難度極大,極難控制,受天氣影響極大,稍微颳風可能就落不到回收船上。但是飛機的最高飛行高度比一級火箭低一些,大飛機完全依靠空氣托住和滑翔,空氣密度低到一定程度的高空,這種大飛機根本上不去,軍用偵察機最多也就飛到平流層,民航大飛機一般就在對流層的頂部飛行。

綜合對比Vulcan和spaceX,我更看好Vulcan的發射方式,尤其是衛星發射和載人太空旅遊。


簡單地說,對於飛機來說,這是又想要飛行高度又想要飛行速度的問題,上面空氣稀薄,這點被樓主忽略了啊!

這麼做會讓一件簡單的事從可靠性到操作難度都會變複雜。

原因其實前面的人都已經講了 我在坎巴拉太空計劃的真實太陽系MOD中試過用飛機運載火箭入軌,這能算切實體會過嗎?
1.操作難度大,又想高空又要速度(高空空氣變稀薄 飛機的引擎效率降低),不在現有的技術、材料下挖盡餘量到頭來不一定划算多少。
2.節省的燃料真的很少,飛機帶出來的基本都是水平速度,高速水平移動之下想讓火箭抬頭來增加垂直速度,這裡還是有空氣的,抬頭時空氣阻力帶來的對燃料的浪費和操作難度請腦補。
3.目前真的只適合發射小型衛星,因為火箭的重量對於飛機的飛行高度來說真的很重、真的很重、真的很重,重複三遍,又想高空又要速度,那上面的空氣太稀薄了!這點是最重要的!你想讓飛機引擎熄火么親?飛太低不是又達不到節省的目的了嗎?

飛艇就算了吧,飛越高浮力越少啊,火箭那麼重你怎麼不說啊親!


實例是有的,HAAS三級火箭,採用過氧化氫-瀝青固液混合火箭發動機,直徑4米,長18米,重23.3噸,利用氣球攜帶到高空發射,近地軌道運載能力400公斤。不過啊,從地面發射的運400kg的火箭也比這個奇葩大不了多少……


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