什么是宇宙速度(什么是宇宙速度,如何计算)

什么是宇宙速度(什么是宇宙速度,如何计算)

为什么宇宙速度是最小发射速度

这取决于宇宙的速度是如何推导出来的。

当航天器以最小半径(靠近地表)绕地球运动时，物体以匀速圆周运动方式运动。这时，航天器上的引力等于向心力，即GMM/r ^ 2=mv ^ 2/r。

经过简化，我们得到：GM=V2 r，其中g为引力常数，m为地球质量，r为航天器轨道半径，这里为地球半径，v为航天器速度。代入数值后，v=7.9公里/秒。

据说是最小发射速度，因为如果低于这个速度，飞船就无法绕地球飞行，会飞一会儿再落回地面。比如你用力向前扔石头，扔得越快，飞得越远。当以一定速度抛出时，当落石的弧度正好等于地球表面弯曲的弧度时，石头就不会落回地面，它会永远绕地球飞行(忽略大气阻力等其他因素)，它将是一颗人造卫星。这个速度是宇宙速度。因此，宇宙速度是最小发射速度。

无论是盘旋速度，还是看上面的简化公式。公式中，速度与平方半径成反比，即航天器飞行轨道半径越大，在保持向心力等于引力时，其飞行速度越小。

宇宙速度是在轨道半径与地球半径相同的基础上计算出来的，但实际上，没有人造卫星或航天器会在地面上飞行，而且总会有一定的轨道高度，少离地球大气层100公里。只要它离开地面并有一定的轨道高度，它绕地球飞行的速度就会小于宇宙。近地轨道卫星的线速度约为7.8公里/秒，而地球同步卫星在距离地面3.6万公里高度飞行的线速度仅为3.1公里/秒，因此宇宙速度为环绕速度。

明白吗？根据这个物体的平抛运动来理解就可以了。

被抛物体沿抛物线下落，落到地面。初始速度越大，物体被抛出的距离就越远。如果你达到一定的速度，下落物体的弧度等于地球表面的弧度，物体就不会再落到地面，它会围绕地球运动。这个速度是地球的宇宙速度。

如果要一个公式，就是f=ma，这个a是向心加速度，等于V ^ 2/R，V是物体的速度，R是地球的半径。然后是重力，f=mg，g是重力加速度，m是物体的质量。

当两个力相等时，物体可以绕地球旋转。mg=mv 2/R.

为了简化，v 2=rg。r=6.37106米，g=9.8m米/秒。

可以得出v=7.9公里/秒的结论。

这是宇宙速度。

之所以说是最小发射速度，是因为如果小于这个速度，这个物体的下落弧度就会小于地球表面的曲率，并且会落到地面，所以不能绕地球做圆周运动。环绕速度可以通过万有引力直接为圆周运动提供向心力。F=GMM/R 2=MV 2/R V 2=GM/R，所以半径越小，速度越高。最小发射速度是因为：发射高度越高，发射时需要克服的阻力越大(动能转化为重力势能和内能越多)，所以发射时需要的初始动能就越大！为什么宇宙速度既是最小发射速度又是环绕速度？

请记住，“最小发射速度”和“盘旋速度”都是针对特定轨道高度的。前者是指如果速度没有达到宇宙速度，近地距离将小于地球半径(即打回地面)；但是，环绕速度会随着轨道高度的增加而降低。以地球半径为轨道半径的圆形轨道是的，因此它的环绕速度。

如果卫星以大于宇宙速度小于第二宇宙速度的速度发射会发生什么？

如果发射角度正确，它将进入椭圆轨道，离第二宇宙越近，速度偏心越大。10km/s的速度远远大于宇宙的速度，可以做出一个大偏心率的椭圆轨道(如果速度达到10.8km/s，可以去地月转移轨道，也就是远地点可以达到38.4万公里)。

如果我以5公里/秒的速度发射呢？

无论速度方向如何，最终都会落地。日常生活中会有感性认知，也就是跳跃。速度越快，你能跳得越高。只要速度不超过第二宇宙的速度，最终就会被地球引力拉回地球。太空中有个术语叫——亚轨道。你在书里有所有这些知识。为什么会有不懂的学生？你想过吗？因为不懂的同学把火箭发射和卫星发射混为一谈，你对这么明显的问题的回答是无关紧要还是不是学生想要的。让我简单描述一下卫星发射的过程：

(以红色箭头为卫星载体)火箭(内有卫星)点火发射后，到达一定高度(注：是近地面高度，不是很高，所以认为该高度火箭到地球中心的距离约为地球半径)，然后火箭释放卫星，卫星以约与地球相切的方向发射(可认为是平行于地面的速度方向)(注：这是卫星发射速度。不是初始火箭发射速度)，因为卫星离地面很近，这个速度少必须是宇宙速度(当卫星的速度方向真的是短视和地球的切线方向时，这就是卫星只需要7.9km/s，也就是做圆周运动的宇宙速度)，然后卫星就不会掉下来。然后我们希望卫星飞向我们想要的轨道(如果我们想要的轨道离地球很远，此时的高度不能视为近地卫星的高度)，那么我们在第二阶段就会进入椭圆轨道，然后在第二阶段。

椭圆轨道的远地点进入第三轨道（这时的第三轨道和轨道一样是圆周运动），这就把我们想要的卫星送到了想要的轨道上了。(别问为什么这么麻烦不直接用火箭把卫星送到第三轨道上，全世界都这样做肯定有这样做的原因，我就简述一下这样总的原因。)这种发射方法有两个优点：一是对火箭推力要求较低；二是发射场的位置不局限在赤道上。运行时，所具有的机械能越大，把卫星发射到离地球越远的轨道，在地面应具有的初动能越大，即发射速度越大。对于环绕速度，如果比宇宙速度再大一点，物体就要脱离环绕轨道，飞出去了，所以不能再大了，它就是环绕速度。对于发射速度，如果物体速度小于发射速度，那么它就摆脱不了地球引力，也就不会飞到外太空去，所以不能再小了，它就是最小发射速度。

宇宙速度是怎么算出来的？

听说过牛顿的大炮的故事吗:牛顿说在一座高山上架起一门大炮，只要这门炮的威力足够大，炮弹 的速度足够快，炮弹就可以围绕地球不停的转而不会掉下来。那炮弹的速度是多少才不会掉下来呢？又是为什么呢？我们已经知道物体在空中自由下落的速度是4.9米每秒，而地球是圆形的，它每7.9公里就向地平线下下降4.9米，如果炮弹每秒飞行7.9公里同时下降4.9米，那这发炮弹就永远不会掉下来了。长久以来，人们一直渴望离开地球，去探索地球外面的空间。遗憾的是，由于无法克服地球的束缚，致使这一企盼一直未能实现。地球产生的引力，不仅抓住人类及地表一切物体不放，而且把厚厚的大气层牢牢地约束在自己周围，甚还将38．4万公里以外的月球也“拴”在身旁。

摆脱地球引力束缚的原理

人类要飞向太空必须首先挣脱地球引力的“枷锁”，而战胜引力的决窍是提高运动速度。英国科学家艾萨克·牛顿在《自然哲学的数学原理》中指出，让物体围绕地球旋转，利用旋转产生的离心力可以克服地球的引力。牛顿设想，在一座高山上架起大炮对着前方，以一定速度将炮弹平射出去，由于地球引力作用，炮弹将沿着一条抛物线运动，并在到达一定距离后降落到地面。如果加大炮弹速度，则其射程随之增加。当炮弹速度加到足够大的数值时，它就能克服地球引力而围绕地球作圆周运动；当炮弹速度大于此一数值时，就以发射位置为近地点绕地球作椭圆运动；当炮弹速度再增大时，它就脱离地球空间而到行星际空间漫游。这个摆脱地球引力束缚的力学原理，为人类漫游太空指出了正确方向。

飞向太空的宇宙速度

从研究两个质点在万有引力作用下的运动规律出发，人们通常把航天器达到环绕地球、脱离地球和飞出太阳系所需要的最小速度，分别称为宇宙速度、第二宇宙速度和第三宇宙速度。

宇宙速度（V1） 航天器沿地球表面作圆周运动时必须具备的速度，也叫环绕速度。按照力学理论可以计算出V1＝7．9公里／秒。航天器在距离地面表面数百公里以上的高空运行，地面对航天器引力比在地面时要小，故其速度也略小于V1。

第二宇宙速度（V2） 当航天器超过宇宙速度V1达到一定值时，它就会脱离地球的引力场而成为围绕太阳运行的人造行星，这个速度就叫做第二宇宙速度，亦称逃逸速度。按照力学理论可以计算出第二宇宙速度V2＝11．2公里／秒。由于月球还未超出地球引力的范围，故从地面发射探月航天器，其初始速度不小于10．848公里／秒即可。

第三宇宙速度（V3） 从地球表面发射航天器，飞出太阳系，到浩瀚的银河系中漫游所需要的最小速度，就叫做第三宇宙速度。按照力学理论可以计算出第三宇宙速度V3＝16．7公里／秒。需要注意的是，这是选择航天器入轨速度与地球公转速度方向一致时计算出的V3值；如果方向不一致，所需速度就要大于16．7公里／秒了。可以说，航天器的速度是挣脱地球乃太阳引力的惟一要素，目前只有火箭才能突破宇宙速度。

由于航天器在地球稠密大气层以外极高真空的宇宙空间以类似自然天体的运动规律飞行，所以实现航天首先要寻找不依赖空气而又省力的运载工具。

火箭本身既携有燃烧剂，又带有氧化剂，能够在太空中飞行。但要挣脱地球引力和克服空气阻力飞出地球，单级火箭还做不到，必须用多级火箭接力，逐级加速，最终才能达到宇宙速度要求的数值。

现代运载火箭由箭体结构、动力装置、制导和控制系统、遥测系统、外测系统、安全自毁和其他附加系统构成，各级之间靠级间段和分离机构连接，航天器装在末级火箭的顶端位置，通过分离机构与末级火箭相连；航天器外面装有整流罩，以便在发射初始阶段保护航天器。

运载火箭的技术指标，包括运载能力、入轨精度、火箭对不同重量的航天器的适应能力和可靠性。航天器的重量和轨道不同，所需火箭提供的能量和速度也各不相同，各种轨道与速度之间有一定的对应关系。如把航天器送入185公里高的圆形轨道运行所需的速度为7．8公里／秒；航天器进入1000公里高的圆形轨道运行所需速度为8．3公里／秒；航天器进入地球同步转移轨道运行所需速度为10．25公里／秒；航天器探测太阳系所需速度为12～20公里／秒等。直到今天，只有依靠火箭才能突破宇宙速度，实现人类飞天的理想。mv^2/r=GMm/r^2

其中r近似为地球半径