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2006年8月24日,在捷克首都布拉格举行的国际天文联合会大会将太阳系九大行星之一的冥王星降级为“矮行星”,太阳系“九大行星”也就变为了“八大行星”。实际上许多我们已经淡忘了的天文物理知识,不仅无时无刻地影响着我们的日常生活,甚至还在军事活动中成为了决定成败的因素。现在就让我们从“地球自转”现象来看看天文物理对军事活动的影响。
导弹发射为何“东远西近”?
如果同样的导弹由西向东发射,导弹实际飞行的最大距离与其设计最大射程是否一致?答案有三个:一是射程近了,二是射程一致,三是射程远了。究竟哪个是正确的呢?
选择第一个答案的人显然缺乏中学物理知识,因为我们从物理课中就知道,在一个惯性系统内的物体之间是相对静止的,就好像我们在高速匀速行驶的列车上垂直向上跳起落下后,又回到了起跳点,或者我们在地面上最远能跳1.4米,在高速匀速行驶的列车上无论向前还是向后,都只会跳出1.4米。从这点看,似乎第二个答案是正确的,但选择这一答案的人只掌握了基本的物理知识,而缺乏一些地球物理和导弹技术知识。
我们知道,地球是一个绕地轴自西向东旋转的球体,而地球表面上从两极到赤道的各点距地轴的距离是逐渐增大的,由于地球是整体旋转运动的,因此地球表面上从两极到赤道的各点的运动速度是从小到大的,也就是越靠近地轴的点的运动速度越慢,反之则快。如果我们知道地球的半径和某点的纬度,按照24小时旋转1周的速度,就可以计算出地球上每一点的旋转速度。例如厄瓜多尔的首都基多就比美国的纽约每小时快402千米。
那么,摩天大楼楼顶与地轴的距离比楼底与地轴的距离长出了摩天大楼的大致高度。也就是说摩天大楼楼顶的运转速度要大于楼底。如果从摩天大楼楼顶自由投放一个小球,由于楼顶比楼底具有较大的向东运转速度(地球自西向东自转),因此小球在到达地面时就会向东偏出些许。例如,在北京让物体从60米高度(相当于20多层楼)自由落地时,要向东偏出0.78厘米,而纬度相对北京低的南京要向东偏出0.86厘米。
弹道导弹发射前已经计算好了飞行弹道,其飞行弹道基本可以分为主动段和被动段,主动段虽然只占到全飞行过程的约5%,但是却决定了被动段弹道的形状和远近等。如果主动段终点的速度增加一倍,射程就可以增加数倍。最早的德国V-2导弹的飞行程序是:开始垂直起飞,3秒后导弹开始朝向目标方向转弯,当导弹的飞行倾角达到接近45°和飞行速度为1.6千米/秒时,由飞行控制系统关闭火箭发动机,这样就结束了主动段飞行。这时的导弹实际开始作抛物运动,这就类似从大楼上抛出物体。因此导弹向东飞行要比向西飞行远。也许你会说,这一偏移很小可以忽略不计,但如果按照前面提到的北京的偏移量,远程弹道导弹的偏移可以达到200余米,这在导弹发射中是无法忽略的误差,因此在发射前的诸元计算中都会依照目标方向将这一偏差考虑进去。
炮弹为何向右偏?
1982年英国和阿根廷在南半球的阿根廷南部的大西洋马尔维纳斯群岛(又名福克兰群岛)进行了著名的马岛战争。这场战争成为了新时代海战的样板,但鲜为人知的是这场战争中,英国海军炮手却犯了一个上世纪初就曾犯过的错误。早在第一次世界大战期间,英国和德国就在马岛附近进行了一场海战。大家知道,海战中的目标基本都是点状的,因此炮火精度要求比陆上要高得多,但奇怪的是经过严格训练的英舰炮手发射的炮弹经常落在德舰的左方而不能命中。这究竟是为什么呢?
要弄清这个问题,还要从大约150年前的一个科学实验说起。1851年,法国科学家傅科做了一个著名的实验。他从巴黎国葬院的穹顶上悬挂了一根67米长的绳索,下面吊着一个28千克重的摆锤。随着每一次摆动,地上巨大的沙盘便留下摆锤运动的痕迹。令观摩者们相顾惊诧的事情发生了。这只大摆没有始终按一条直线来回往复,而是经过一段时间后,摆动的方向偏转了很大的角度。傅科宣布说:“我们看到了地球的转动。”
实际上,地球上一切物体都会随着地球自转产生垂直于地轴的一定惯性力,最早提出并用数学证明这一现象存在的是法国科学家科里奥利(1792~1843年),因此这一力又被称为科氏惯性力。这里需要注意的是,这种力的方向与地球自转轴垂直,而地球上物体所受重力则直指地心。也就是说这两个力之间存在一定夹角,在赤道上夹角为0°,而在南北极的夹角均为90°。我们知道,地球表面的所有物体均沿纬线方向随地球自西向东旋转运动,因此其都受到科氏惯性力的作用,科氏惯性力在经过该物体所处点的纬线面上。在北半球,该力在物体所受重力线和随地球自转运动方向的右方向,因此,北半球的物体都受到向右的偏转力,也就是有向右偏转的趋势。而在南半球则表现为向左的趋势。这种趋势在两极最大,在赤道为0。
由于地球上的物体都在同一惯性系统内,都受到这种力的作用,因此由地球自转引起的弹着点偏差与射击的方向角无关,即不管向哪个方向发射炮弹,只要速度和射程相同,弹着点的右偏(北半球)或左偏(南半球)都是一样的。为消除落点的偏差,发射方向应略微向左(北半球)或向右(南半球)调整,并反映在火炮的射表或瞄准具中,以保证弹着点正确。
那么,前面提到的英国舰炮手总是射偏,是不是舰炮瞄准具的设计者忘了考虑科氏力?其实设计者完全了解科氏力的作用,只不过他们假设海战是在英国本土(北纬50°)进行,因而作了向左的校正。而马尔维纳斯群岛位于南半球(约南纬50°),设计者没有把校正的方向告诉那些不懂科氏力的炮手,结果产生了双倍的向左误差。而在60多年后的马岛战争中,英国舰炮手再次犯下了同样的错误,遭到了同行的嘲笑。
中国历史上为何总是北方统一南方?
有人在学完中国历史后发现,历史上经常出现相似的一幕就是,北方部族入侵南方,并最终统一南方部族。历史学家总是从经济、民族习俗等方面解释,实际上在军事地理上有一个假设也对这一现象作出了解释。
如果大家注意观察地图就会发现,我国自发形成的古老城市一般都位于江河的北岸,而且河流中沉积的砂岛不断与北岸相连,河道不断向南弯曲,这是为什么呢?实际上这也与地球自转有关系。前面谈到,北半球物体有向右偏转的趋势,因此河水在地转偏向力作用下,对右岸冲刷常常甚于左岸,长期积累的结果,右岸就比较陡峭。而我国西高东低的地形状况决定了大部分江河都是自西向东流淌的。也就是说我国河流一般是南岸比较陡峭,而北岸由于河水逐步向南偏移,致使河床裸露。而这些沉积着上游大量矿物质和养分的河床不但适宜耕种,而且比较平坦,适宜建设和居住。因此,经过常年积累,久而久之就在北岸形成了人口聚集区,最终形成了城市。这种南部紧邻江河的城市布局,为从南方向北方发动的军事攻势制造了天然障碍。因为在冷兵器时代,河流是军事行动的最大障碍。而自北向南的攻势又往往使这些城市的守卫者面临战略纵深短浅和后勤补给的困难。因此我国自古以来,自南向北的攻势较为困难,而自北向南的攻势往往容易得手,这也许是我国历史长河中,常常出现北方统一南方的相似一幕的军事地理原因。
实际上,地转偏向力的影响在现实中比比皆是,对人类生活产生着深远的影响。例如北半球右侧的铁轨更容易受到行驶火车的磨损,这就是火车长期运行中的右偏力造成的受力不均的结果。大气的流动也不能超越这一影响。当赤道的空气被加热上升,造成永久的低气压带后,回归线附近高压带的空气便向赤道流动,并受科氏力的作用发生东西方向的偏转。于是在赤道以北形成东北风,赤道以南形成东南风。古代商船都是帆船,它们就是靠着这种方向常年不变的风航行于海上,故名贸易风(Trade wind)。这种吹彻全球的万里长风曾鼓动麦哲伦和哥伦布远航的船帆。由于它恪守信用,千古不变,所以在我国被称为信风。台风也是科氏力作用的一种大气现象,在赤道附近科氏力极小(科氏力接近零),必然形不成台风。像马来西亚、印度尼西亚等赤道国家就极少发生台风。
导弹发射为何要测量重力?
导弹发射前有一个重要的工作就是测地保障,主要就是对发射场和飞行弹道中的各地点进行重力测量。难道地球上各点的重力都不同吗?回答是肯定的。
在大地测量科学中,将重力的作用空间叫重力场。按作用范围来区分,又将地球重力场划分为中长波(中低频)部分和中短波(中高频)部分。中长波部分代表地球重力场的总体趋势。我们知道,地球是一个两极稍扁、赤道略鼓的椭球体。这一形状并不是一开始就是这样的,是地球自转所产生的惯性力,使得地球由两极向赤道逐渐膨胀,形成目前略扁的旋转椭球体的形状。这个椭球体的半长轴,即地球赤道半径为6 378.1千米;半短轴,即地球的极半径为6 356.8千米。赤道半径比极半径约长21千米。这一形状造成了地球上同一质量的物体在不同纬度的地点,重量是不同的。中学物理课上我们学过,地球表面的物体所受的重力近似等于地球对该物体的万有引力。重力公式:G=mg,万有引力公式:F=GMm/R2,由二者相等可计算出g=GM/R2,不难推出重力加速度在赤道处最小,且由赤道向两极递增,故物体的重力随着纬度增加越来越大。中短波部分则是重力场的细部结构,主要是局部区域内地表起伏和地下物质异常引起的重力变化。例如,富含金属矿脉的地区地表材质的密度大,其重力就比较大。
要获取地球重力场的信息不但要进行计算,还要进行细致的重力测量。地质普查所得到的详细重力测量数据不但可以反演出地球内部的物质分布以及矿藏储备等情况,而且可以为精确设计导弹飞行弹道提供数据。我们知道,导弹等飞行器的主要功能就是克服重力作用飞行,因此对于远程导弹弹道的设计,必须要考虑到地球的引力作用。
实际上,由于地表矿物分布产生的中短波部分重力场随着高度的增加衰减很快,因此其主要在距离地表较近的地方发生作用,而在距离地表较远的地方主要是由地球形状产生的中长波部分重力场发生作用。弹道导弹飞行弹道基本可以分为主动段和被动段两部分。主动段主要是起飞阶段,因此在距离地表较近的地方飞行,对其作用较大的是中短波部分重力场;而被动段属于被抛射出的部分,因此在距离地表较远的地方飞行,对其作用较大的是中长波部分重力场。而且由于各国对自己领土内的详细大地测量数据都严格保密,要获取远程导弹被动段飞行弹道上的详细中短波部分重力场数据几乎不可能,所以被动段弹道的计算一般只考虑由地球形状产生的中长波部分重力场的作用。如果在主动段也用中长波重力场数据计算,将导致较大的射程偏差。对于1 000千米以上的导弹就会引起2~3千米的射程偏差,这在军事上是不能容忍的。因此在导弹发射的主动段必须考虑到实际地球的引力作用,也就是必须顾及中短波部分的影响,方能设计出高精度的弹道,提高命中精度和准确度。
卫星发射场为何越建越南移?
如果你留心世界各航天发射场就会发现一个很有趣的现象:各国航天发射场基本都位于该国比较靠南的地区(该国位于北半球)。例如,苏联/俄罗斯的拜克努尔发射场、美国的肯尼迪发射中心、法国的法属圭亚纳、日本鹿儿岛县种子岛航天中心,包括我国的西昌发射场也是如此。韩国近年建设的外罗老岛航天中心也位于南部全罗南道高兴郡外罗老岛。这是巧合还是有意安排?难道这中间也暗藏着什么玄机不成?
从前面的讨论我们可以知道,低纬度发射可以使导弹得到更大的地球自转赋予的向东的初速度,提高运载能力。卫星要克服地球引力,所需要的速度要达到7 500米/秒以上,所以发射卫星需要的动力很大。火箭发射时有效载荷质量只有起飞质量的1%~2%,其它绝大部分是燃料质量,少部分是结构质量,因此提高运载能力显得非常重要。在向东发射时,地球自转赋予的初速度减少了火箭所应提供的速度增加量。当发射点在赤道时初速度最大,达到465米/秒,随着发射点纬度增加初速度逐步减小。粗看起来这初速度比第一宇宙速度小很多,但是对运载能力的影响却很大。俄专家负责“联盟”运载火箭发射的“巴尔明”通用机械制造设计局第一副总设计师克里莫夫曾透露,俄罗斯火箭如果在赤道发射可以使火箭的运载能力从1.5吨提高到4吨。此外,向南(或向北)发射卫星时,向东的初速度没有用处,其运载能力就比向东要小,所以大多数卫星部是向东发射的。因此,为节省燃料或提高运载能力,发射卫星应该选择纬度尽量低的地方向东发射。
可以看出,高纬度国家发射卫星有先天不足,要吃一些亏。目前,国际上公认的理想发射场是设在南美洲圭亚那库鲁的发射场。其纬度为南纬5°,由欧洲有关空间机构管理,“阿里亚娜”火箭就是在这里发射的,这也是“阿里亚娜”火箭一个重要的竞争优势。而目前高纬度国家也都采取其它技术手段弥补这一缺陷,或尽量与低纬度国家合作建设航天发射场或发射卫星。近年来,俄罗斯不但花巨资继续租用哈萨克斯坦的拜克努尔发射场,而且又和澳大利亚、印尼等低纬度国家合作建设航天发射场,其中印尼的比亚克岛发射场距离赤道只有2°。乌克兰也与巴西合作在巴西阿尔坎特拉发射中心发射“旋风”火箭。此外,俄、乌、美和挪威等高纬度国家还在1995年合资组建了海射公司,建造了两个大型海上移动平台,提供“天顶”3SL运载火箭服务。这两个平台分别是“奥德赛”自身推进并可以半下沉的石油钻井平台,长198米、重30.8吨的“海射指挥”总装和指挥船。海射运载器在公司的母港(加州的长滩)进行有效载荷处理和集成,由“海射指挥”运输船转移到“奥德赛”平台上,然后航行到位于赤道上西经154°的主发射场进行发射。由此看来,距离赤道近在运载火箭发射上也是一种具有竞争力的优势资源。[编辑/李海峰]