2020年7月,人类奔向火星的赛道繁忙起来,一共有3个国家进行火星探测计划。

阿联酋当地时间7月20日,阿拉伯世界首个火星探测器“希望”号搭乘H2A运载火箭在日本种子岛航天中心发射升空。

7月23日,我国在海南岛东北海岸中国文昌航天发射场,用长征五号遥四运载火箭成功发射首次火星探测任务天问一号探测器。

美国东部时间30日7时50分(北京时间30日19时50分),“毅力”号火星车搭乘美国联合发射联盟公司“宇宙神5”型火箭从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地升空。

宇宙第一速度怎么算出来的(每秒1km的速度难道飞不出地球吗)(1)

发射探测器的火箭必须要达到第二宇宙速度11.2km/s才能脱离地球,飞往火星。飞出地球为什么一定要超过这个速度呢?如果火箭保持一个比较低的速度慢慢飞,比如说1km/s,难道就飞不出地球吗?

难道火箭速度达不到第一宇宙速度7.9km/s,达到一定高度就会突然掉下来吗?事实上确实会掉下来。不过火箭是因为没有燃料而速度又达不到7.9km/s才掉下来。

如果火箭能一直保持某个大于零的速度,那么火箭可以飞得任意远。而地球一直在对火箭施加引力,所以如果想保持一个恒定的速度,就一定要有一个相反的力来跟引力抵消。火箭就要消耗燃料。

宇宙第一速度怎么算出来的(每秒1km的速度难道飞不出地球吗)(2)

人类火箭飞行的本质就是向后扔东西。要达到的速度越高,需要带的燃料就越多,但这些增加的燃料本身又需要更多的燃料来推动,导致一个恶性循环。结果是,单位质量燃料的效果大大下降。

齐奥尔科夫斯基公式对此进行了描述:

宇宙第一速度怎么算出来的(每秒1km的速度难道飞不出地球吗)(3)

这个公式描述了增加燃料带来的边际收益是越来越低的,因为对数函数的增长很缓慢。即使你把整个地球的燃料都烧掉,速度也提升不了太多。航天不能指望通过多带燃料来解决问题。

因此宇宙速度的定义都是在无燃料的情况下,达到这些速度才能实现某些目标。第一宇宙速度的目标是环绕地球,不落到地面。第二宇宙速度的目标是飞出地球,在太阳系内飞行。第三宇宙速度的目标是飞出太阳系。

宇宙第一速度怎么算出来的(每秒1km的速度难道飞不出地球吗)(4)

如果不到第一宇宙速度7.9km/s,那么你会落回地面。

如果达到第一宇宙速度7.9km/s,那么你会环绕地球做圆周运动。

如果超过第一宇宙速度7.9km/s,但低于第二宇宙速度11.2km/s,那么你会以椭圆轨道绕地球运动,速度越大椭圆越扁,远地点越远。

如果达到第二宇宙速度11.2km/s,但低于第三宇宙速度16.7km/s,那么你会摆脱地球引力,却被太阳捕获,绕太阳做椭圆运动。目前三个火星探测器就处于这种状态。

还有所谓的第四第五第六宇宙速度:

所谓第四宇宙速度,是指在地球上发射的物体摆脱银河系的引力束缚,飞出银河系所需最小初始速度,大约为110-120km/s,指在银河内绝大部分地方所需要的航行速度。如充分利用太阳系围绕银心的转速,最低航行速度可为82km/s。由于人类对银河系所知甚少,银河系的质量以及半径等无法取值,这个数字还需要很久才能形成公论。

第五宇宙速度指航天器从地球发射,飞出本星系群的最小速度,本星系群中的全部星系覆盖一块直径大约1000万光年的区域,照这样算,需要1500--2250km/s的速度才能飞离。

第六宇宙速度指航天器从地球发射,飞出该本超星系团的最小速度,本超星系团的直径约在1~2亿光年之间,照这样算,在不需要考虑能源消耗等一系列条件的影响下,理论上需要接近光速才有可能飞离。

(网图侵删)

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