發射火箭必須達到第一宇宙速度才能飛出大氣層，這是中學課本中就已經告訴我們了！這個第一宇宙速度最早是牛頓提出來的，進入宇航時代後就成了人類飛出地球的「秘籍」！從發射的第一顆衛星開始到正要遠徵火星的「天問一號」，一直都沒有改變過！
為什麼要第一宇宙速度才能飛出地球？
牛頓在1687年發表《自然科學的哲學原理》中一起發表了萬有引力定律，揭示了宇宙中的天體之間的相互作用和地球上物體的自由落體運動，其實就是一個道理！
天體之間的引力和它們的質量成正比，與距離的平方成反比地球表面的自由落體運動，下落的物體和地球所受的引力是一樣的，物體下落的同時，其實地球也向物體靠近了一丟丟牛頓發現了萬有引力之後，他也考慮了一種離開地球的方式，但其實他當時根本就沒想到以後真的能用這種方法離開地球！那麼是什麼方法呢？
《自然哲學的科學原理》中牛頓設想的離開地球的方法
看起來也非常簡單，地球不是一個超級球體麼，我們在地面上行進的時候其實是在繞一個半徑大約6370千米的圓，不過到當時為止也只有為數不多的航海家完成了環球航行，絕大多數人只是繞了這將近4萬千米左右的圓周一部分而已！
那麼當我們速度足夠快時，這個繞地心同時會產生「離心力」，當「離心力」和重力相等時，這個物體就可以克服重力一直保持圓周運動而不至於落到地面上！而此時繞地球的線速度就是第一宇宙速度！
0速度發射的情況，直接墜入原地
低於第一宇宙速度的情況，拋物線軌跡
等於第一宇宙發射，物體將繞地球公轉
簡單的理解就是「離心力」等於重力即可，這個速度在地表大約是7.9千米/秒，在近地軌道大約是7.8千米/秒，它會隨著高度變換而出現變化。
離開地面的各種方法
儘管牛頓發現了離開地球的方法，但在他以後很長一段時間內都沒有實現目標，甚至連飛翔都還沒實現，一直到1783年蒙哥爾費兄弟發明了熱氣球！也許各位可能會有不同意見，我們中國人早就發明了熱空氣上升的孔明燈，但很可惜我們從來都沒有將它用來載人！
孔明燈
熱氣球能升到多高？
熱氣球原理很簡單，一個可以控制開合的大氣球，底部用燃料加熱，熱空氣膨脹密度減小，在大氣層中就會產生靜浮力，當靜浮力大於其本身質量時就能克服重力上升！
最早的熱氣球
1862年氣象學家詹姆斯·格萊舍和氣球飛行家艾米麗亞·雷恩，在未攜帶氧氣的情況下，上升到了9144米，這是當時的極限水準了，並不是熱氣球不給力，而是人體對低含氧量環境的耐受能力，3000米以上，含氧量就降低到18%左右，人就開始不舒服了，5000米時就到了12%，10000米時就會到達人體耐受極限的6%以下，難以呼吸直至死亡。
現代實用耐壓艙室的氣球（氦氣球）一般都可以達到40千米左右，比如2012年10月4日，Felix乘坐氣球在距離地面高度的39045米處跳傘成功，此時大約是民航客機的5倍高度！
但無論是熱氣球還是氦氣球，都不可能突破大氣層，因為它們本身需要大氣作為介質！和熱氣球一樣，飛機也無法離開大氣層，因為飛機機翼需要空氣來賦予其升力，離開了大氣層同樣寸步難行！而且飛機的極限升限還不如氣球！
雙三的SR71，三馬赫，3萬米
輕易突破地球束縛的火箭
和熱氣球一樣，火箭的原理人類早就發現了，這就是發明黑火藥的中華民族，我們將它用來製作爆竹，這就是俗稱的二踢腳！但很明顯它很難用來將物體送入太空，但羅伯特·戈達德在1926年3月26日第一枚液體火箭試飛成功後，狀態迅速被改變！
羅伯特·戈達德和第一枚液體火箭
早在1919年，齊奧爾科夫斯基就已經發表了關於多級火箭的論文《太空火箭列車》，開啟了多級火箭的概念，理論和工具的配合，是1957年10月4日蘇聯人在拜科努爾發射場用P-7洲際飛彈改裝的「衛星」號運載火箭把世界上第一顆人造地球衛星「斯普特尼克1」號送入軌道的關鍵！
為什麼要將火箭加速到第一宇宙速度，慢慢爬出去不行嗎？
齊奧爾科夫斯基的多級火箭理論是理解其中的關鍵，因為地球有一個厚厚的大氣層（太空的標準是至少距離地面100千米），在內部飛行時阻力很大，因此環繞時必須要高於此高度！
那麼有一個非常關鍵的要求就是，火箭起飛後必須儘快爬到淨高度100千米以上，垂直穿透明顯是最短的，但卻有一個問題，火箭燃料有限，垂直爬高到100千米時燃料早已燒光，此時沒有水平速度，那麼火箭慣性上升一段時間後仍然會掉回地球！
唯一的方法是垂直飛離低空大氣層後迅速拐彎轉向地球自轉的方向，此時火箭的速度還可以加上地球自轉的速度（赤道地區有460米/秒），能節省不少燃料！當火箭爬高到100多千米時，水平速度也許已經有3-4千米/秒，那麼此時拋棄第一級火箭的死重，然後啟動二級火箭，將其加速到接近第一宇宙速度，接力後已經可以在低軌道環繞了！如果這個軌道不是想要的高度的話，還可以拋棄二級、啟動三級火箭繼續爬高到想要的軌道。
慢慢爬要多高才能脫離地球的引力？
如果赤道地區的話，必須垂直爬高到赤道上方的靜止軌道才可以，因為以地球自轉的角速度要到42164.169km（距離地心）的高度時產生的「離心力」才能和地球對此處物體的引力抗衡！這個高度距離地面大約35786千米，此時赤道上的線速度465米/秒將會被放大到3.07千米/秒，這足夠讓這個物體保持在地球靜止軌道上運行上百萬年！
各種軌道數據
我們沒有任何一種火箭能如此變態，比如固體火箭的比衝極限是285S，氫氧的液體火箭的比衝能達到450S以上，但這些火箭遠不足以直接到達靜止軌道，離子電推的比衝是3000S以上可以滿足要求，但它推力極小，到現在為止僅僅是作為衛星變軌使用，未來的霍爾電推也許能達到行星際間飛行，但想要從地面起飛直接進入太空，只有依靠空天飛機！
GOCE的衛星的離子發動機
未來的空天飛機
上文我們說了飛機需要大氣作為升力的來源，但這個前提是發動機不給力，早期的螺旋槳更是推動大氣作為前進的依託，後來的噴氣式發動機需要吸入大量的氧氣以維持燃燒，但現在正在迅速改觀，因為未來將會實現一種串聯式的發動機！
地面起飛時使用的是渦噴發動機，不使用渦扇發動機是因為渦噴的涵道比低適合高速，然後在超音速5-6馬赫後旁路渦噴發動機，啟動衝壓發動機，一直到高空後再啟動火箭發動機，飛出大氣層！這種組合模式，可以節省大量攜帶氧化劑的空間，因為火箭是自帶氧化劑和燃料，一開始就消耗氧化劑，實在太浪費！
因此未來最有前途的模式是空天飛機，因為它是人類稍稍努力下就能夠著的技術，相信它在不久以後一定能實現！
真正慢慢爬出去的太空電梯
它的原理很簡單，製造一根大約十萬千米的繩索，一頭系留在赤道上某點，另一頭配置一個配重，讓其在「離心力」的作用下繃緊，然後就可以製造一個電力驅動的電梯，從這根繩索上慢慢升到3.6萬千米左右的高度，然後就可以脫離電梯成為一個環繞地球飛行，短期內不會墜落的環繞地球飛行器了！
太空電梯
地面基地
這個方式是真正可以慢慢爬出去的，多慢的速度都可以！但這個技術碰到了非常大的一個難題，即一直無法找到這種超高強度的材料，即使超高強度鋼材也會在十幾千米後被自身重量拉斷，碳納米材料也許能遠遠超出鋼材，但我們仍然無法大規模製造！理論上這種技術是最理想的，因為那個電梯可以用電，甚至可以用布置在電梯頂端的太陽能電池供電，利用太陽能爬出地球，想想就激動！