青蛙的卡通图片:第一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，甚至还将38．4万公里以外的月球也“拴”在身旁。

牛顿提出

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（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） 当航天器超过第一宇宙速度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至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

物体摆脱地球引力所需要的最小速度，即地球引力恰好等于物体围绕地球旋转所需要的向心力时，物体升空起始速度。