漫話宇宙速度

尹懷勤

嫦娥奔月的故事想必大家都已經(jīng)十分熟悉，故事中嫦娥能夠飛升到月亮上靠的是一顆仙藥。而現(xiàn)實(shí)申，因?yàn)榈厍驈?qiáng)大的引力，人類想要遨游太空可沒有那么容易。

質(zhì)量為5.965×l024千克的地球能夠產(chǎn)生巨大的引力，不僅能將身處其中的人類以及地表上的萬物“吸”住，還能“吸引”上百千米厚的稠密大氣層和遠(yuǎn)在38萬千米以外的月球。就是因?yàn)檫@樣，人類囿于地球這個(gè)搖籃中難以高飛。但正如蘇聯(lián)科學(xué)家齊奧爾科夫斯基的墓志銘所寫：“地球是人類的搖籃，但是人類不能永遠(yuǎn)生活在搖籃之中，開始他將小心翼翼地穿出大氣層，然后便去征服太陽系?！庇掠谔剿鞯娜祟愐胝鞣栂担谝徊骄褪且獟昝摰厍蛞?。那如何才能掙脫呢？

1687年，英國(guó)科學(xué)家艾薩克·牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中指出，利用物體圍繞地球旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力就可以克服地球引力。牛頓設(shè)想，在高山上架起一枚大炮，以一定速度將炮彈射出去，在地球引力的作用下，炮彈沿著一條拋物線到達(dá)一定距離后就會(huì)落到地面上。如果不斷加大炮彈速度，其射程就會(huì)隨之不斷延伸。當(dāng)炮彈速度足夠快時(shí)，它就能克服引力繞地球進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，甚至脫離地球空間到太陽系行星際空間或者飛出太陽系到恒星際空間漫游。牛頓這一克服地球引力的原理，為人類飛向太空之路指明了方向。雖然目前，載人飛行最遠(yuǎn)就是到達(dá)月球，但無人航天器最遠(yuǎn)已經(jīng)飛抵太陽系的邊緣。然而，航天器能夠飛出“人類搖籃”最重要的一環(huán)就是送其進(jìn)入宇宙的火箭。火箭會(huì)以一個(gè)能夠克服地球引力的速度，載著飛行器穿出大氣層。齊奧爾科夫斯基就在他的書中提出了火箭在自由空間運(yùn)動(dòng)的基本原理，推導(dǎo)出了火箭運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)公式——“齊氏公式”，闡述了人類克服地球引力所必須獲得的速度。這種速度被稱為“宇宙速度”，并根據(jù)航天器飛離地球遠(yuǎn)近的需要，分成了三種：第一宇宙速度、第二宇宙速度和第三宇宙速度。

第一宇宙速度也叫環(huán)繞速度，是航天器能夠在宇宙空間環(huán)繞地球做不同高度的圓周運(yùn)動(dòng)而不被地球引力拉下來所必須具有的最小速度?？茖W(xué)家計(jì)算出這個(gè)最小速度為7.9千米/秒。

由于地球?qū)ξ矬w產(chǎn)生的引力會(huì)隨著兩者距離的增加而減小，所以航天器的環(huán)繞速度也會(huì)隨著飛行高度的變化而變化，軌道越低，環(huán)繞速度越大，環(huán)繞周期越短：軌道越高，環(huán)繞速度越小，環(huán)繞周期就越長(zhǎng)。我們用地球半徑6 378千米可以算出地球的周長(zhǎng)，再除以第一宇宙速度7.9千米/秒，即可得知地表環(huán)繞周期約為84.3分鐘。這是航天器繞地球一周所需的最短時(shí)間。而航天器會(huì)根據(jù)其工作需要，選擇不同高度的軌道繞地運(yùn)行。

人造衛(wèi)星在距地面35 786千米高度的圓形軌道上運(yùn)行時(shí)，它的環(huán)繞周期是23小時(shí)56分4秒，這個(gè)時(shí)間段剛好與地球自西向東自轉(zhuǎn)一周的時(shí)間相同。這樣的軌道有很多條，被稱為地球同步軌道。如果這條圓形軌道又正好是在地球赤道上空，而且衛(wèi)星在這條軌道上飛行的方向也和地球自轉(zhuǎn)方向一致，那么衛(wèi)星與地球表面將保持相對(duì)靜止，衛(wèi)星猶如固定在赤道上空某一點(diǎn)一般，一動(dòng)不動(dòng)。顯然，這種軌道只有一條，我們稱之為地球靜止軌道。很多衛(wèi)星，如通信衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星和導(dǎo)航衛(wèi)星等都在這條地球靜止軌道上運(yùn)行。在35 786千米高的軌道上，衛(wèi)星環(huán)繞速度僅為3.075千米/秒。在靜止軌道上均勻地安排三顆通信衛(wèi)星即可實(shí)現(xiàn)全球通信。

第二宇宙速度又稱逃逸速度，當(dāng)航天器超過第一宇宙速度并達(dá)到第二宇宙速度11.2千米/秒時(shí)，它就會(huì)脫離地球引力場(chǎng)進(jìn)入太陽系行星際空間，成為太陽系中的一顆人造行星。所以，第二宇宙速度就是從地球表面起飛的航天器飛向行星際空間所需的最小速度。與環(huán)繞速度一樣，逃逸速度也會(huì)隨著航天器所處的高度變化而變化，軌道越低，逃逸速度越大，軌道越高，逃逸速度越小。

以第一宇宙速度發(fā)射的航天器可以圍繞地球運(yùn)行，為我們的生活提供便利。而以第二宇宙速度發(fā)射的航天器主要任務(wù)就是探測(cè)太陽系中的行星、矮行星、小行星和周期性彗星，幫助人類深化對(duì)太陽系的認(rèn)識(shí)，同時(shí)尋找能夠孕育和承載生命的天體。從距離上說，金星是最靠近地球的行星。所以，當(dāng)人類能夠進(jìn)入太陽系后，第一個(gè)被成功探測(cè)的就是金星。

20世紀(jì)60年代以來，蘇聯(lián)/俄羅斯、美國(guó)、歐洲航天局和日本已向金星發(fā)射共32個(gè)航天器，其中23個(gè)成功，9個(gè)失敗。加上各種路過的探測(cè)器，目前已有超過40個(gè)航天器有緣與金星相見。除了金星，人類還以第二宇宙速度向其他行星發(fā)射了很多探測(cè)器，這些探測(cè)器為人類帶回了很多有價(jià)值的資料，使我們對(duì)太陽系的認(rèn)識(shí)更加清晰。

第三宇宙速度是從地球表面發(fā)射的航天器飛出太陽系到浩瀚的銀河系中漫游所需的最小速度。這個(gè)速度為16.7千米/秒。我們知道當(dāng)航天器以第二宇宙速度飛離地球達(dá)到距地心93萬千米時(shí)，便被認(rèn)為已經(jīng)脫離地球引力，此后便在太陽引力的作用下運(yùn)動(dòng)。而航天器的運(yùn)行軌道相對(duì)于太陽軌道來說是一條拋物線，沿著這條拋物線，航天器最后也會(huì)脫離太陽引力場(chǎng)，飛出太陽系。事實(shí)上，由于銀河系是個(gè)龐大的天體系統(tǒng)，航天器以第三宇宙速度飛出太陽系進(jìn)入銀河系后，飛行速度顯得很慢。

你知道第一個(gè)飛出太陽系的航天器叫什么嗎？就是本期“地球人在太空”中的主角——旅行者1號(hào)探測(cè)器！它是目前在太空中走得最遠(yuǎn)的人類文明使者，已經(jīng)飛出太陽系邊界。旅行者1號(hào)于1977年9月5日發(fā)射升空，多年來，與比它早些時(shí)候發(fā)射的旅行者2號(hào)聯(lián)合對(duì)太陽系外圍行星及其衛(wèi)星展開了大量有價(jià)值的觀測(cè)。兩個(gè)探測(cè)器上都帶有鍍金唱盤，唱盤上記載著地球人用55種語言對(duì)可能遭遇的外星文明發(fā)出的問候。1998年，旅行者1號(hào)超越先驅(qū)者10號(hào)，成為在宇宙中飛行最遠(yuǎn)的人類探測(cè)器。2003年11月5日，旅行者1號(hào)與太陽之間的距離達(dá)到90個(gè)天文單位，1個(gè)天文單位約等于1.496億千米，也就是說它已與太陽相距近135億千米。

2014年9月13日，美國(guó)國(guó)家航空航天局召開新聞發(fā)布會(huì)，宣布37年前發(fā)射的旅行者1號(hào)探測(cè)器已經(jīng)離開太陽系，正在向其他恒星飛去。2014年9月20日媒體報(bào)道，旅行者1號(hào)已飛出約180億千米，成為名副其實(shí)首個(gè)沖出太陽系的人造飛行器。

旅行者1號(hào)現(xiàn)在的速度已達(dá)到每小時(shí)24萬千米，也就是說它1秒鐘可以飛行66.27千米，比剛發(fā)射時(shí)快了很多。這是因?yàn)樗谔皆L木星和土星的時(shí)候，科學(xué)家使它利用木星和土星的引力作用進(jìn)行了加速。旅行者1號(hào)在離開地球的40多年中，一直向外奔馳，朝著銀河系的中心進(jìn)發(fā)，直至生命終止。旅行者1號(hào)是齊奧爾科夫斯基那句墓志銘的最好證明，人類文明不僅穿出大氣層，征服了太陽系，而且正飛奔向宇宙深處！