不超过第一宇宙速度也能发射卫星

提到第一宇宙速度,很多人会想到这是发射卫星的最小发射速度,你的中学物理教科书中可能就是这么写的。你在一些新闻报道中见到的也是这个意思,同时也会告诉你地球的第一宇宙速度是7.9km/s。

设想一种情景,在地月之间架起一架天梯,以1m/s的速度顺着天梯向前运动,能不能到达月球?如果你说不能,为什么不能?如果你说能,可1m/s的速度又远小于第一宇宙速度7.9km/s。

不超过第一宇宙速度也能发射卫星

天梯

我这里先摆出事实:发射人造地球卫星时,尤其是发射低轨道卫星时,火箭的速度经常自始至终也没有达到第一宇宙速度,最终卫星照样上了天。是的,你没看错,发射卫星时火箭的速度达不到第一宇宙速度也能把卫星送上天。

是我在胡吹呢还是教科书写错了?教科书没写错,我也没胡吹,是你错误理解了宇宙速度。

地球的第一宇宙速度约7.9km/s,如果速度必须超过某个值才能成功发射卫星,那么一定会给出非常精确的数值,不然就会“失之毫厘,差之千里”。可谁见过比7.9km/s更精确的第一宇宙速度?谁见过比11.2km/s更精确的第二宇宙速度?更精确的值当然可以计算出来,但是已经没有多少意义。

第一宇宙速度是在星球表面给物体一个水平方向的初速度,如果物体受到的万有引力刚好能够提供物体绕地球做圆周运动需要的向心力,这个速度就是第一宇宙速度。列式GMm/r²=mv²/r,M为星球质量,m为卫星质量(可约掉),r为到地心的距离。从表达式可见,离星球表面越高,所需的速度就会越小。在地球表面发射人造地球卫星,如果不计阻力,只给物体一个初速度,以后也不再给物体提供动力,这个初速度至少要达到第一宇宙速度,这个速度大约是7.9km/s。如果火箭先将卫星送到比较高的位置,在更高的位置不使卫星坠落所需的速度会小于第一宇宙速度。

实际发射卫星时,火箭的速度经常全程都没有超过地球的第一宇宙速度。一是因为火箭提供的不是瞬间速度,而是能够持续提供一段时间的动力,二是火箭还要向高空飞,高度越高,不再掉到地面上所需的速度会变小。太空中飞行的人造地球卫星,它们的线速度都是小于地球的第一宇宙速度的。如果真的能在地球和月球之间架一座天梯,顺着梯子爬也能爬到月球,梯子若是能伸出太阳系,也能爬出太阳系。


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