[科普中国]-太空航行

太空航行速度第一宇宙速度

以多大的速度将物体抛出，它才会成为绕地球表面运动的近地卫星?

地球质量M=kg，地球R=6400km，G=地表 g=（离地高度忽略不计）

推导方法一：万有引力提供向心力

代入数据得：v=9.7km/s

推导方法二：重力提高向心力（重力近似等于万有引力）

代入数据得：v=9.7km/s

在地球表现万有引力近似等于重力，所以这两种推导方法都是正确的。人们把7.9km/s这个速度叫做第一宇宙速度，它是近地卫星的环绕速度，也是近地卫星的发射速度。

概念辨析：发射速度与环绕速度 发射速度：卫星在地面附近离开发射装置的初速度，一旦发射后再无能量补充，被发射物仅依靠自己的初动能克服地球引力上升。21cnjy.com 环绕速度：卫星在进入运行轨道后绕地球做圆周运动的线速度。

第二宇宙速度当人造卫星进入地球附近的轨道速度大于skm/9.7而小于skm/2.11时，它绕地球运动的轨迹就不再是圆，而是椭圆，且卫星做变速率的运动，发射速度越大，椭圆轨道越“扁”，离地面的高度越高。1

第三宇宙速度如果物体发射的速度更大，达到或超过skm/2.11时，物体将摆脱地球引力的束缚，成为绕太阳运动的人造小行星。我们把skm/2.11这个速度称为第二宇宙速度，又叫脱离速度。 如果物体的发射速度再大，达到或超过skm/7.16时，物体将能够摆脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外。我们把skm/7.16这个速度称为第三宇宙速度，也叫逃逸速度。2

星轨道越高所需发射速度越大，而到轨道后的环绕速度越小。

第一宇宙速度是人造卫星的最小发射速度，也是人造卫星最大运行速度。3

太空航行三阶段发展史从人类航天活动的历史来看，我们可以把人类探索太空的活动大致分为三个阶段。

第一阶段初步的探索时期。大体从万户到哥白尼开始至19世纪末。14世纪末我国的万户进行飞行试验。16世纪，波兰天文学家哥白尼在《论天球的运转》的著作中提出“日心说”；意大利科学家伽利略对重心、速度、家速度等运动概念进行了详尽研究。19世纪，德国天文学家开普勒发现的行星运动的三大定律，揭示了天体运行的自然规律。英国科学家牛顿提出了著名的“万有引力定律”，解决了天体运动的动力学问题。至此，经典力学和早期天体理论为开展宇宙航天奠定了坚实的基础。4

第二阶段现代航天理论形成和现代航天飞行初创时期。现代航天理论的形成始于20世纪初。俄罗斯航天先驱齐奥尔科夫斯基于1903年发表的论文提出了著名的齐奥尔科夫斯基公式，随后又相继发表了两篇重要论文，奠定了火箭和液体火箭发动机的理论基础，他提出了用火箭自带氧化剂和燃烧剂作为飞行动力并采用多级火箭

第三阶段人类航天活动现代化时期。主要指1957年至今人类航天活动五十年来的发展历程。1957年10月4日，前苏联利用弹道导弹改装而成的运载火箭，成功发射了人类首颗人造地球卫星，开辟了人类探索外层空间活动的新时代。半个世纪以来，人类航天活动可谓由近至远、从无人飞行到载人飞行，取得了突飞猛进的发展。1961年4月2日，前苏联航天员加加林完成的人类有史以来的首次太空飞行，人类实现了载人航天的历史性突破。1969—1972年，美国的6批12名航天员登上了月球，创造了人类踏上地外天体的记录；他们在月球的不同区域累计停留305小时，取回了381.7千克月球样品。

成绩至今，全球已有400多位航天员进行了太空飞行，其中在太空一次生活最长时间达438天，累计时间最长的达748天。人类建造了可部分重复使用的航天飞机，至今航天飞机进行了117次发射，成为20世纪人类科技进步的象征。截止目前，全球已研制80多种航天运载器，形成了30多个系列，可将重型飞行和飞船送往太空，巨型运载火箭可以将100多吨的航天器送入近地轨道；不仅可以从抵免发射场进行航天发射，而且还能够从海上平台、空中飞机上发射不同的卫星。先后建造了礼炮号、和平号等多个空间站，目前由16个国家联合建造的大型国际空间站已经完成了多个舱段对接，国际空间站纵质量达450吨，主结构长110米、宽88米，由36个舱段和构建组成，将用于开展各种空间试验。

九十年代发射的哈勃望远镜延伸了人类的“视线”，让人类看到了200多万光年以外的深空。迄今，人类已经完成了120次成功或基本成功的深空探测活动，发射的探测器拜访了太阳系的7颗行星、太阳、慧星和小行星，实现了在火星、金星、土卫六等天体上的软着陆，2005年成功执行了撞击慧星的任务。目前人类制造的航天器已经飞到了太阳系的边缘。50年来，各国发射了大约6000个航天器，包括通信、遥感、导航、科学实验等不同用途、运行在不同轨道的卫星，以及各种深空探测器。目前有800多颗卫星正在轨运行。人造卫星已经发展成为集成各种高、精、尖新技术的先进、复杂的卫星系统或卫星星座。

伴随着人类航天事业的巨大进步，我国的航天事业也取得了辉煌成就。我们中国在1970年4月24日用自己研制的长征一号运载火箭成功发射了自己研究的东方红一号人造地球卫星，在那个年代中国成为世界上第五个能够研制火箭和卫星的国家这是非常了不起的事件。56

目标达到太阳系内翱翔、近距离考察木星红斑卫星、建立月球火星宇航基地、星际移民、飞行器远达太阳系以外的能力。

国际合作从太空时代开始时起，美国在空间领域的投入就处于领先地位，这个趋势在可预见的未来还会继续。即使如此，NASA（National Aeronautics and Space Administration，美国航空航天局）163亿美元的年度预算和20世纪60年代的全盛时期比起来也是相当有节制的。当时阿波罗计划花费了联邦预算的4%，同时美国每年大约要在太空军事行动上花费200亿美元。

在空领域面投入占第二位的是17国联合组成的ESA（European Space Agency，欧洲航天局）但投入要大大少于占第一位的美国。欧洲在20世纪70年代应NASA的邀请参加载人航天飞机计划时，开始涉足人类的空间探索。欧洲国家决定开发一个模块化的研究设备，叫做空间实验室（Spacelab），在卫星的有效载重仓中运行。

1983年，在空间实验室的处女航中，德国人Ulf Merbold作为第一个ESA宇航员和第一个搭乘美国航天器的非美国人创造了历史。从1978年起，30多名来自ESA成员国的宇航员在48次任务中参与了飞行。其中27次是和NASA的合作计划，21次是与前苏联的合作。

随着冷战时敌对态势的消散，近年来这种国际合作已经成为主旋律。更引人瞩目的是16个国家开始共同协作，建立国际空间站International Space Station（ISS）——迄今为止绕地球轨道运行的最大、最复杂、最昂贵的飞行器。

欧洲对国际空间站的贡献包括哥伦布实验室、至少6个自动转移飞行器（Automated TransferVehicle，ATV）、欧洲机械手、3个多功能后勤舱、两个国际空间站节点、俄罗斯部分的数据管理系统、一个称为“炮塔cupola”的欧制观测舱。除此之外，欧洲还提供专业科学设备，包括微重力手套箱、各种冷藏和冷冻设备。国际空间站的另一个主要贡献者是俄罗斯，它提供了几个舱，其中一个是美国建造的，和一个可靠的低成本空间运输系统包括它的Soyuz（联盟号）宇宙飞船和“进步号Progress”宇宙飞船。和欧洲一样，日本也依靠美国和俄罗斯来讲他们的宇航员送上轨道，但他们的科学家希望在新建的Kibo实验室做出一些微重力方面的突破性的研究。日本的HTV货运飞船也在开发当中。意大利也在研究一系列的机械手和操作器，确立了在这方面的专业地位。

与此同时，美国、俄罗斯、欧洲、日本、中国和印度都自主研发了进入太空的技术，巴西在这方面也十分积极。自1979年12月第一枚“阿里亚娜Ariane” 火箭发射以来，欧洲运载火箭家族就成为了整个欧洲空间应用技术发展的战略关键，并在以后很多年间主导了全球商业空间发射市场。

今天，阿里亚娜5 重型火箭能够将两颗大型商业卫星送入地球同步转移轨道，而它的改良型即将在与国际空间站的交会对接任务中发射第一个ATV。小型运载火箭Vega的采用和法属圭亚那发射基地建立的俄罗斯“联盟号”火箭发射架也使欧洲的发射能力得到了提升。

即使中国高可靠性的长征运载火箭和印度的PSLV、GSLV在很大程度上被美国的限制性技术转让规则排除在外，在目前有限的发射市场中对发射合同的竞争也还是十分激烈的。除此以外，一些退役的导弹也可以用来将小型负载送入地球的低轨道，尤其是俄罗斯保存着冷战时遗留下来的大量运载火箭和改良型导弹。

不过，由于太空时代的出现，当今社会已经被不可逆转地改变了。空间技术和变革已经触及发达国家人们的日常生活——无论是气象卫星、地球成像飞船、手持导航系统和移动电话、卫星电视转播还是宽带Internet连接都是如此。甚至在欠发达国家，宇宙空间也被视为高技术产业的原动力和年轻科学家、工程师的灵感来源。几乎可以肯定地说，与今后50年所能发生的变革相比，这50年来所取得的进步要大得多。7

太空航行图书《太空航行》是2009年5月湖北教育出版社出版的图书，作者（德）埃里希·于波拉克 文，（德）约翰·布勒丁格。

内容简介接着介绍对于了解太空航行所必要的概念，如航天火箭，逃逸速度，航天器和同步轨道等。文章中间也会介绍行星及其卫星的探索知识。因为有了太空航行，在从1960年到今天这个很短的时间内，我们了解的航天知识比前几代研究人员观察到的所有的加起来还要多。而在本书的最后，我们要对太空航行的未来进行一次简要的分析。

这本书首先介绍了我们的太阳系最重要的成员，虽然对太阳和月亮介绍的有点太短，但会在丛书中单独分章介绍。

目录太阳系，我们的故乡

什么是行星？

太阳是宇宙的中心吗？

人类从何时开始观察行星的？

为什么行星围绕着太阳旋转？

我们的地球是如何转动的呢？

是谁发现了天王星，海王星和冥王星？

为什么地球上会有生命？

生命是如何产生的？

其他行星上也有空气吗？

什么是卫星？

小型天体包括哪些？

什么是彗星？

通过望远镜和双筒望远镜可以看到什么呢？

火箭和卫星

火箭是如何工作的？

为什么火箭适合太空航行？

我们为什么需要多级火箭？

什么是人造卫星？

为什么人造卫星会绕地球公转？

如何理解逃逸速度？

地球表面附近有特别适合的卫星轨道吗？

什么是空间探测器？

什么是空间站？

太空航行有经济效益吗？

太空航行是如何帮助天文学家的？

什么是航天飞机？

人可以在太空中存活多久？

空间碎片将会使太空航行成为不可能吗？

太空探测器探索太阳系

人类能飞到太阳上去吗？

水星上是什么样子？

金星上有生命吗？

金星上是什么样子？

月球的年龄有多大？

火星上曾有人居住吗？

是空间站围绕着火星旋转吗？

飞往木星需要多久？

木星有多少颗卫星？

土星环是消亡天体的碎片吗？

土星卫星上也会有大气层吗？

为什么天王星是绿色的？

“旅行者”2号在海王星上发现了什么？

人类能飞往冥王星吗？

太阳系是否还有其他行星存在？

彗星是什么物质组成的？

太空航行的未来

人类将来也能飞往火星吗？

其他的恒星也有行星吗？

人类将来能飞往天王星吗？

飞往仙女座星云是否能成为可能？

人类能与其他文明取得联系吗？

真的有飞碟存在吗？

名词索引