2.2　宇宙速度

根据牛顿万有引力定理，地球对于其表面的物体自然有引力作用，因此任何物体要想从地球出发进入太空就必须想办法克服这一引力。另外我们还知道，物体要做圆周运动，必须有向心力来平衡离心力。因此，任何物体要想围绕地球运行，就必须满足地球对它的引力与它圆周运动的离心力平衡的条件。

（1）三个宇宙速度

根据圆周运动的公式可知，绕地球做圆周运动的物体必须至少达到一定的速度。该速度就称为第一宇宙速度（又称为环绕速度，图2-4），是指在地球上发射的航天器绕地球飞行作圆周运动所需的最小初始速度。根据相关计算公式可以得到，如果物体依靠地球引力绕地球表面运行，则最小速度为7.9千米/秒，该速度即为第一宇宙速度。但实际上，地球表面存在稠密的大气层，航天器不可能贴近地球表面做圆周运动，必须在150千米的飞行高度上才能绕地球做圆周运动。在此高度下的环绕速度为7.8千米/秒。物体在获得这一水平方向的速度以后，不需要再加动力就可以环绕地球运行。环绕地球运行的卫星，随着轨道高度的增加，环绕速度在不断减小，如地球同步静止轨道卫星的轨道高度达到35786千米，在该轨道上运行的卫星飞行速度为3.075千米/秒，但这并不意味着卫星离开地球的速度会减小，为了克服地球引力依旧需要离开地球的速度大于第一宇宙速度。

除了第一宇宙速度之外，还有必要了解第二宇宙速度和第三宇宙速度（图2-4）。

　图2-4　三个宇宙速度

第二宇宙速度，亦即离开地球束缚的逃逸速度，是指在地球上发射的物体摆脱地球引力束缚、飞离地球所需的最小初始速度。根据相关公式计算，该速度约为11.2千米/秒。

第三宇宙速度，亦即离开太阳束缚的逃逸速度，是指在地球上发射的物体摆脱太阳引力束缚、飞出太阳系所需的最小初始速度。根据相关公式计算，该速度约为16.7千米/秒。

月球还未超出地球的引力范围，从地面发射的月球航天器，其速度不小于10.85千米/秒即可。

这样归纳起来，可以看出航天器要想成功环绕地球飞行或飞向其他星球，最为关键的必要条件就是达到一定的速度，否则就无法进入预定的轨道。不少国家也在尝试进行航天器的发射，但很多都没有成功入轨，其原因就是他们发射的航天器没有达到所要求的飞行速度。

（2）获取速度的方式

那如何才能使航天器达到这几个宇宙速度呢？这就需要用到运载火箭。我们知道，火箭是通过向后喷射高温高压气体而产生反作用力前进的。为了使火箭最终达到一定的飞行速度，就需要不断地向后喷射高温高压气体。

理论和实践证明，火箭飞行速度决定于火箭发动机的喷气速度和火箭的质量比。发动机的喷气速度越高，火箭飞行的速度越高；火箭的质量比越大，火箭飞行能达到的速度越高。这里，火箭的质量比是火箭起飞时的质量（包括推进剂在内的质量）与发动机关机（熄火）时刻的火箭质量（火箭的结构质量，即净重）之比。因此，质量比大，就意味着火箭的结构质量小，所携带的推进剂多。当然，现代火箭还有多级，在使用完一级火箭的燃料后，就把这一级火箭抛掉，并启动下一级火箭，这样整个火箭的质量就小了，火箭的加速性能可以得到提高。

在航天器的发射中，运载火箭只是将人造卫星等航天器运输到一定的高度并达到一定的速度，而要去往月球、太阳及其他行星的探测器，还要依靠自带的火箭发动机继续改变其速度的大小和方向进行变轨。由于卫星所携带的燃料有限，在飞往其他行星的途中，为了节省燃料还要向其他行星“借力”进行加速或减速。以水星探测器为例，水星离地球不是很远却要花好几年的时间才能抵达，就是因为要反复向金星、地球借力。

（3）飞往各大行星的最小出发速度

向地球之外的其他行星发射探测器，沿着最小能量航线飞行，所需要的最小速度和航行时间如表2-1所示。

表2-1　飞往其他行星的最小速度及航行时间

前往各大行星的探测器沿最小能量航线飞行，出发日期要隔几个月甚至几年才有1次机会。从地球飞向太阳系的其他七大行星，飞往火星的机会最少，大约相隔2年2个月才有1次；飞往金星的机会大约1年7个月有1次；飞往水星的机会最多，4个月就有1次；飞往木星、土星、天王星和海王星的机会每年1次。

这些探测器如果要返回地球，也不是随便什么时候都可以返航的。飞往火星的探测器要想飞回地球，必须在飞到火星那里后，先成为火星的卫星等待一段时间后，才能离开火星飞回地球；这个等待时间长达450天，加上探测器往返地球和火星的时间519天，总共需要969天。飞往金星的探测器在接近金星后，需要作为金星的卫星停留475天，才能返回地球，加上往返地球和金星的时间，总共需要767天。去木星的探测器接近木星后，需要作为木星的卫星停留215天，才能返回地球，加上往返地球和木星的时间，总共需要2215天。

上述航行时间是比较理想的情况，实际中由于各大行星的相对位置在不断变化，探测器往返地球和各个行星的时间往往比这还长不少。水星虽然离地球不算太远，但是要发射探测器成为水星的人造卫星，却并非易事，由于水星离太阳很近，想要克服太阳的拖曳而进入水星的轨道，必须走一条迂回曲折的道路，需要进行多次的减速。2004年8月发射升空的美国“信使”号水星探测器，历时6年多才进入水星轨道，成为第一颗进入水星轨道的探测器。自发射以来，“信使”号已多次飞越金星、地球和水星进行减速，在这些“引力辅助”下的机动过程中，大大消耗了“信使”号所携带的燃料，为此“信使”号进入水星轨道后所剩燃料已经非常有限了。