Bất kỳ ai đã học hết trung học cơ sở đều biết rằng đoạn thẳng nối hai điểm là ngắn nhất. Nhưng khi nhìn vào tất cả các vụ phóng tàu vũ trụ trên thế giới, dù là phóng vệ tinh hay phóng tàu vũ trụ có người lái, tên lửa đẩy phải quay và bay vòng tròn khi đưa các tàu vũ trụ này vào không gian. Tại sao lại thế? Có phải do lực đẩy của tên lửa đẩy không đủ không?
Lấy tên lửa Long March 5 làm ví dụ. Lực đẩy của tên lửa này có thể đưa một tàu vũ trụ nặng 14 tấn vào quỹ đạo chuyển tiếp địa tĩnh. Nếu phóng một vệ tinh có khối lượng nhỏ hơn, chắc chắn nó sẽ có thể được đưa lên quỹ đạo xa hơn mặt đất. Nhưng tại sao hầu như không có tàu vũ trụ nào áp dụng phương pháp phóng "thẳng đứng hướng lên trên" này?
Bất kể nhiệm vụ phóng là gì, quỹ đạo bay của tên lửa đẩy về cơ bản giống như hình dưới đây. Khi tên lửa bay lên từ mặt đất đến độ cao lớn, quỹ đạo của nó sẽ dần nghiêng trong suốt quá trình bay, và cuối cùng quỹ đạo bay sẽ gần như song song với mặt đất, rồi biến mất khỏi tầm nhìn của chúng ta.
Chỉ có ba kết quả có thể xảy ra khi phóng một tàu vũ trụ theo phương thẳng đứng lên trên.
1. Tên lửa có đủ năng lượng để đưa tàu vũ trụ thoát khỏi lực hấp dẫn của Trái Đất và tiếp tục bay cho đến khi bị lực hấp dẫn của các thiên thể khác giữ lại. Để một tàu vũ trụ thoát khỏi lực hấp dẫn của Trái Đất, vận tốc ban đầu tối thiểu cần thiết là 11,2 km/giây (được gọi là vận tốc vũ trụ thứ hai).
2. Khả năng còn lại là tàu vũ trụ chỉ bay đến điểm Lagrange và dừng lại. Điểm Lagrange là điểm cân bằng hấp dẫn giữa hai thiên thể. Về mặt lý thuyết, có năm điểm Lagrange giữa hai thiên thể bất kỳ, nhưng thường chỉ có hai điểm là ổn định nhất. Gần Trái Đất, điểm Lagrange gần nhất giữa Trái Đất và Mặt Trăng cách xa 65.000 km, trong khi điểm Lagrange gần nhất giữa Trái Đất và Mặt Trăng cách xa 1,5 triệu km.
3. Tên lửa không đủ mạnh và tàu vũ trụ không thể thoát khỏi lực hấp dẫn của Trái Đất. Dưới tác động của gia tốc trọng trường của Trái Đất, cuối cùng nó sẽ rơi trở lại mặt đất.
Hầu hết thời gian, chúng ta phóng tàu vũ trụ bay quanh Trái Đất. Nếu phương pháp "bay thẳng đứng lên trên, chỉ một lần phóng lên đỉnh" này được sử dụng để phóng tàu vũ trụ, ngay cả khi lực đẩy của tên lửa đủ mạnh để đưa tàu vũ trụ lên độ cao quỹ đạo đã định trước chỉ trong một lần, thì cuối cùng nó cũng sẽ chịu ảnh hưởng của lực hấp dẫn của Trái Đất.
Để khắc phục ảnh hưởng của lực hấp dẫn của Trái Đất, tàu vũ trụ phải được cung cấp một tốc độ tiếp tuyến để tạo ra lực ly tâm nhằm bù lại lực hấp dẫn của Trái Đất và khiến tàu vũ trụ chuyển động theo chuyển động tròn hoặc hình elip quanh Trái Đất. Do đó, tên lửa phải đổi hướng khi được phóng đi và quỹ đạo bay của tên lửa cũng là một vòng cung. Bởi vì chỉ bằng cách bay theo cách này thì tàu vũ trụ mới có thể đạt được vận tốc tiếp tuyến.
Trên thực tế, tên lửa cũng có thể đưa tàu vũ trụ đến đích chỉ trong một lần. Nếu tên lửa không cung cấp vận tốc tiếp tuyến thì tàu vũ trụ phải dựa vào sức mạnh của chính nó để tạo ra vận tốc tiếp tuyến. Tuy nhiên, làm như vậy đòi hỏi phải mang theo một lượng nhiên liệu lớn, điều này chắc chắn sẽ làm tăng khối lượng của tàu vũ trụ. Khi khối lượng của tàu vũ trụ tăng lên, lực đẩy của tên lửa đẩy cũng phải lớn hơn và tên lửa đẩy cũng sẽ cần tiêu thụ nhiều nhiên liệu hơn.
Tất nhiên, ngoài việc tiết kiệm nhiên liệu, điều này còn do lực đẩy của các tên lửa hiện tại không lớn và khó có thể đưa một tàu vũ trụ lên quỹ đạo cao cùng một lúc. Kể cả nếu có thể thực hiện được thì cũng không hiệu quả về mặt chi phí.
Tàu vũ trụ di chuyển quanh Trái Đất theo hình tròn phía trên Trái Đất và mặt phẳng quỹ đạo phải đi qua tâm Trái Đất. Có nhiều loại quỹ đạo cho tàu vũ trụ quay quanh Trái Đất.
Theo độ cao quỹ đạo, có thể chia thành quỹ đạo thấp (quỹ đạo gần Trái Đất), quỹ đạo trung bình và quỹ đạo cao. Không có sự phân chia nghiêm ngặt giữa quỹ đạo cao và thấp. Nhìn chung, những vệ tinh có độ cao dưới 1.000 km được gọi là quỹ đạo Trái Đất thấp hoặc quỹ đạo thấp.
Độ cao quỹ đạo càng cao, tàu vũ trụ di chuyển càng chậm; Quỹ đạo càng thấp và càng gần mặt đất thì tốc độ di chuyển cần thiết càng nhanh. Nếu một tàu vũ trụ muốn bay gần mực nước biển mà không bị rơi, tốc độ của nó phải đạt 7,9 km/giây (vận tốc vũ trụ đầu tiên), đây cũng là tốc độ tối đa mà một tàu vũ trụ có thể đạt được khi quay quanh Trái Đất.
Khi độ cao quỹ đạo là 36.000 km, chu kỳ hoạt động của tàu vũ trụ bằng với chu kỳ quay của Trái Đất. Quỹ đạo này được gọi là quỹ đạo địa tĩnh. Nếu độ nghiêng của quỹ đạo địa tĩnh bằng 0, tàu vũ trụ sẽ bay chính xác dọc theo đường xích đạo của Trái Đất. Quỹ đạo này được gọi là quỹ đạo địa tĩnh (hay quỹ đạo địa tĩnh), là trường hợp đặc biệt của quỹ đạo địa tĩnh và chỉ có một quỹ đạo duy nhất.
Theo độ nghiêng của quỹ đạo, có thể chia thành quỹ đạo xích đạo, quỹ đạo cực và quỹ đạo nghiêng. Trong đó, độ nghiêng của quỹ đạo xích đạo là 0 độ, mặt phẳng quỹ đạo trùng với mặt phẳng xích đạo của Trái Đất; độ nghiêng của quỹ đạo cực là 90 độ, mặt phẳng quỹ đạo vuông góc với mặt phẳng xích đạo của Trái Đất, tàu vũ trụ sẽ bay qua Cực Bắc và Cực Nam; và độ nghiêng của quỹ đạo nghiêng không phải là 0 độ cũng không phải là 90 độ.
Nếu tàu vũ trụ bay theo hướng quay của Trái Đất, có thể chia thành chuyển động thẳng và chuyển động ngược.
Để đối phó với tình trạng thiếu lực đẩy của tên lửa và cân nhắc đến các yếu tố kinh tế, hầu hết các tàu vũ trụ hiện nay đều được phóng vào quỹ đạo chuyển tiếp Trái Đất tầm thấp trước, sau đó sử dụng sức mạnh của chính tàu vũ trụ để dần dần thay đổi quỹ đạo sang quỹ đạo trung bình hoặc cao. Nếu bạn muốn đưa tàu vũ trụ lên quỹ đạo địa tĩnh hoặc quỹ đạo địa tĩnh cách mặt đất 36.000 km, trước tiên bạn phải đưa tàu vũ trụ lên quỹ đạo chuyển tiếp. Điểm cận địa của quỹ đạo chuyển tiếp này chỉ cách mặt đất vài trăm km, còn điểm viễn địa cách hơn 36.000 km. Sau đó, ít nhất hai lần tăng tốc phải được thực hiện tại điểm thay đổi quỹ đạo để nâng cao độ cao quỹ đạo và sau đó thực hiện các điều chỉnh chính xác cho sự thay đổi quỹ đạo trước khi đạt đến quỹ đạo đã định trước. Các thông số tinh chỉnh bao gồm độ nghiêng quỹ đạo, độ cao quỹ đạo, v.v.
Phương pháp truyền này được gọi là chuyển giao Hohmann. Nó tận dụng tối đa lực hấp dẫn của các thiên thể và có thể tiết kiệm đáng kể nhiên liệu cho tàu vũ trụ. Nhược điểm duy nhất là mất nhiều thời gian.
Trên thực tế, có một lý do khác khiến tên lửa đẩy bay theo một góc. Điều này là do quỹ đạo bay của hầu hết các tàu vũ trụ không nằm phía trên địa điểm phóng. Để phóng vào quỹ đạo đã định trước, hướng bay của tên lửa đẩy sau khi cất cánh khỏi mặt đất không thể theo phương thẳng đứng hướng lên trên. Nếu phóng theo hướng quay của Trái Đất, với sự trợ giúp của tốc độ tuyến tính quay của Trái Đất, nó sẽ tiết kiệm được nhiều nhiên liệu hơn.
