了解一下 宇宙第一速度

2021-01-19 北鬥衛星手錶
在很多地方我們常常聽到第一宇宙速度,不過很多人並不知道它是什麼意思?第一宇宙速度分為兩個別稱:太空飛行器最小發射速度、太空飛行器最大運行速度。在一些問題中說,當某太空飛行器以第一宇宙速度運行,則說明該太空飛行器是沿著地球表面運行的。按照力學理論可以計算出 v1=7.9 km/s


第一宇宙速度,指物體在地面附近繞地球做勻速圓周運動的速度叫做第一宇宙速度(first cosmic velocity)。

第一宇宙速度別稱:太空飛行器最小發射速度、太空飛行器最大運行速度、環繞速度。

而在一些問題中說,當某太空飛行器以第一宇宙速度運行,則說明該太空飛行器是沿著地球表面運行的。按照力學理論可以計算出v1=7.9 公裡/秒。實際上,地球表面存在稠密的大氣層,太空飛行器不可能貼近地球表面作圓周運動,必須在 150 千米的飛行高度上,才能繞地球作圓周運動。太空飛行器在距離地面表面數百公裡以上的高空運行,地球對太空飛行器引力比在地面時要小,故其速度也略小於v1。在此高度下的環繞速度為 7.8 千米/秒。

推導公式


解得GM=V² r,將R地=6.375×106m,地球質量M=5.965×10^24kg萬有引力常數6.67259×10^-11 米^3/(千克·秒^2)代入,並開平方,得v≈7.9 km/s

在地面上向遠處發射炮彈,炮彈速度越高飛行距離越遠,當炮彈的速度達到「7.9 千米/秒」時,炮彈不再落回地面(不考慮大氣作用),而環繞地球作圓周飛行,這就是第一宇宙速度。

第一宇宙速度也是人造衛星在地面附近繞地球做「勻速圓周運動」所必須具有的速度。但是隨著高度的增加,地球引力下降,環繞地球飛行所需要的飛行速度也降低,所有太空飛行器都是在距地面很高的大氣層外飛行,所以它們的飛行速度都比第一宇宙速度低。

人造衛星在地面附近(高度忽略)繞地球做勻速圓周運動時,其軌道半徑近似等於地球半徑 R,其向心力為地球對衛星的萬有引力,其向心加速度近似等於地面處的重力加速度。

物體所受重力 = 萬有引力 = 太空飛行器沿地球表面作圓周運動時向心力。


人類要發射人造地球衛星或發射完成星際航行的飛行器,就要擺脫地球強大的引力,那如何離開地球呢,這就要使運載飛行器或人造地球衛星的太空梭或運載火箭的速度要達到宇宙速度。

那什麼是宇宙速度呢,它有幾類以下加以說明:

所謂宇宙速度就是從地球表面發射飛行器,飛行器環繞地球、脫離地球和飛出太陽系所需要的最小速度,分別稱為第一、第二、第三宇宙速度。早期,人們在探索航天途徑時,為了估計克服地球引力、太陽引力所需的最小能量,引入了三個宇宙速度的概念。假設地球是一個圓環,周圍也沒有大氣,物體能環繞地球運動的最低的軌道就是半徑與地球半徑相同的圓軌道。這時物體具有的速度是第一宇宙速度,大約為 7.9 千米/秒。物體在獲得這一水平方向的速度以後,不需要再加動力就可以環繞地球運動。


地球上的物體要脫離地球引力成為環繞太陽運動的人造行星,需要的最小速度是第二宇宙速度。


第二宇宙速度為 11.2 千米/秒,是第一宇宙速度的 √2 倍。地面物體獲得這樣的速度即能沿一條拋物線軌道脫離地球。地球上物體飛出太陽系相對地心最小速度稱為第三宇宙速度,它的大小為 16.7 千米/秒。地面上的物體在充分利用地球公轉速度情況下再獲得這一速度後可沿雙曲線軌道飛離地球。當它到達距地心93 萬千米處,便被認為已經脫離地球引力,以後就在太陽的萬有引力的作用下運動。這個物體相對太陽的軌道是一條拋物線,最後會脫離太陽引力場飛出太陽系。一些特殊的軌道速度,如環繞速度、脫離速度,有時也被分別稱為第一、第二宇宙速度。


那如何才能使運載火箭或太空梭達到宇宙速度呢,理論和實踐證明,火箭飛行速度決定於火箭發動機的噴氣速度和火箭的質量比。發動機的噴氣速度越高,火箭飛行的速度越高;火箭的質量比越大,火箭飛行能達到的速度越高。



火箭的質量比是火箭起飛時的質量(包括推進劑在內的質量)與發動機關機(熄火)時刻的火箭質量(火箭的結構質量,即淨重)之比。因此,質量比較大,就意味著火箭的結構質量小,所攜帶的推進劑多。火箭可分為單級和多級,多級火箭又可分為串聯、並連聯、串並聯相結合,一般來說,火箭級數越多它的動能越大,但是理論計算和實踐經驗表明,每增加 1 份有效載荷,火箭需要增加 10 份以上的質量來承受,隨著火箭級數的增加,使最下面的一級和隨後的幾級變得越來越龐大,以致於無法起飛。多級火箭一般不超過 4 級。


不管是第一宇宙速度,還是第三宇宙速度、第四宇宙速度之類的,都是天文學中重要概念,更好研究了解有利於天文學方面發展。

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    宇宙速度是指:從地球表面向宇宙發射人造衛星、宇宙飛船,「脫離」行星和太陽所需要的最低速度。發射的衛星或宇宙飛船先圍繞地球曲線前進,逐漸加速,最後脫離地球引力的束縛飛向茫茫宇宙中某個目的地。當人造衛星以7.9km/s的速度繞地球飛行,而這個7.9km/s是最低速度,如果慢了就會被引力吸引下來,快了容易脫離軌道,遠離地球。大於或小於這個速度都算失敗,即使最大也是最小。這個速度就是第一宇宙速度(7.9km/s)。如果我們要向太陽系內的行星上發射宇宙飛船,比如向火星或金星。這時如果速度還是7.9km/s。
  • 【物理小講座】第一宇宙速度和第二宇宙速度
    所以,環繞速度v和質心距離r的平方根成反比。這樣環繞天體離中心天體越近的時候,其速度就會越快。第一宇宙速度是環繞天體可能的最大速度。但是一般來講衛星總會離地面有一定的高度,所以衛星的實際速度肯定是小於第一宇宙速度的。如果,在不考慮空氣阻力的情況下,把一個東西從地球表明拋擲到地球引力已經幾乎完全稀釋的宇宙深處,那麼這個拋擲的速度應該是多少?這就是第二宇宙速度(The second cosmic velocity)。
  • 我們都知道第一第二第三宇宙速度,為何第四宇宙速度很少被提到?
    (經過幾十年的飛行,旅行者1號才剛出了日球層)第一、第二、第三宇宙速度僅適用於太陽系,人類現階段也只能對太陽系內進行探索,經常討論第一、二、三宇宙速度也就不奇怪了。即使達到了第三宇宙速度,也很難在太陽系內自由馳騁。目前人類的飛行器達到第三宇宙速度還是在依靠行星的引力彈弓效應來實現的。
  • 你真的了解宇宙速度嗎?(中篇)
    達到第一宇宙速度(水平方向),不會再掉落回地球上;達到第二宇宙速度,能脫離地球;達到第三宇宙速度,能脫離太陽;還有第四宇宙速度……你真的了解宇宙速度嗎,能算出來那種?BlingBling,這就是第二宇宙速度!和第一宇宙速度的計算公式比較不知你發現沒有,第二宇宙速度剛好是第一宇宙速度的根號2倍。事實上,在任意軌道高度上,施加水平速度使飛行器剛好能飛出地球引力場(沿拋物線軌道)所需要的速度都剛好是在這一軌道上做圓周運動所需水平速度的根號2倍!
  • 第一、第二、第三宇宙速度經常聽到,為何很少說起第四宇宙速度?
    對於這幾個宇宙速度,經常關心祖國航天事業的朋友應該在熟悉不過了,第一宇宙速度是脫離地球引力進入環地球軌道的速度,第二宇宙速度地球的逃逸速度,但還不能逃離太陽系的速度,第三宇宙速度則是從地球軌道上逃逸太陽系的速度!那麼第四宇宙速度是逃離哪裡的?是銀河系嗎?
  • 如果以低於第一宇宙速度的速度向地球外飛行,能脫離地球引力嗎?
    #了不起的天文航天#第一宇宙速度關於這個問題,我們要搞懂第一宇宙速度到底是什麼,具體的數值是多少。實際上,我們高中都學過想要擺脫地球的引力,至少需要的是第二宇宙速度。地球的第二宇宙速度是11.2km/s,而第一宇宙速度是7.9km/s,而從地球出發想要擺脫太陽引力的最小速度叫做第三宇宙速度,是16.7km/s。那這個第一宇宙速度是咋來的呢?其實特別簡單,就是假定人造飛行器繞著地球表面做圓周運動,通過「萬有引力=向心力」,聯立公式,就可以求得第一宇宙速度v1。
  • 我們都知道第一、第二和第三宇宙速度,那第四宇宙速度有多快呢?
    我們先來簡單捋一捋第一、第二和第三宇宙速度,第一宇宙速度又稱最小發射速度,其值為7.9公裡/秒;第二宇宙速度又稱地球逃逸速度,其值為11.2公裡/秒;第三宇宙速度又稱太陽系逃逸速度,其值為16.7公裡/秒。