發射衛星要達到第一宇宙速度嗎?帶你了解衛星那些事

牛頓曾經研究過這樣一個問題，人擲出去的石頭，由於受到重力作用，總會偏離初方向落回地面。於是他提出了一個大炮的設想：在地球的一座高山上，架起一隻水平的大炮，以不同的速度將炮彈平射出去，當炮彈的速度比較小的時候，炮彈會在重力作用下，偏離原來的運動方向落在附近的A點；如果增大炮彈的出射速度，炮彈就會做初速度更大的平拋運動，落在比A更遠的B點；如果繼續增大炮彈的出射速度，炮彈就會飛得更遠一些。

炮彈的出射速度越大，炮彈落點就離山腳越遠。如果地面是個平面，即使炮彈出射速度再大、飛行再遠，炮彈也最終會落回地面。但是地球是圓的，這樣炮彈就有可能不再落回地面轉而繞地球飛行了。並且實際上，地球對它的引力時刻指向地心，在這個力作用下，如果炮彈初速度合適，軌跡就有可能是個圓，此時引力就充當向心力，炮彈環繞地球做勻速圓周運動，永遠不會落地。這個初速度就是第一宇宙速度。

第一宇宙速度跟衛星的運行速度和發射速度又是什麼關係呢？運行速度，顧名思義，就是衛星在軌道上實際的運行速度。從能量的觀點說，不考慮阻力的影響，在總能量一定的條件下，高度越高，勢能就越大、動能就越小。如果衛星繞地球做勻速圓周運動，軌道半徑越大，它的運行速度就越小。近地衛星因為其軌道半徑最小，所以其運行速度最大。

發射速度指的是衛星發射之後，衛星與火箭分離時所達到的速度。那麼不同衛星的發射速度又該如何比較呢？當衛星質量一定時，衛星的軌道半徑越大，它所應該具有的機械能就應該越大，因此在發射這顆衛星的時候就必須要給它更大的速度才能達到應該有的高度。也就是衛星的軌道半徑越大，它的發射速度就越大。近地衛星因為其軌道半徑最小，所以其發射速度最小。

隨著衛星軌道半徑變大，所需發射速度就變大，而運行速度卻變小了，這是咋回事呢？

原來衛星發射之後繼續上升，受地球的引力作用，速度就會減小。只有近地衛星，因為軌道近似就在地球表面，發射速度近似等於運行速度，其他軌道衛星發射之後要上升高度，受地球引力減速，所以最終運行速度都小於發射速度。這樣就知道了，近地衛星所需要的發射速度最小，並且還近似等於它的運行速度。發射衛星所需要的最小速度就通過近地衛星運行速度來計算，衛星在地球表面做勻速圓周運動，萬有引力充當向心力，只需一步就能解出這個運行速度，它等於7.9km/s，這就是第一宇宙速度的值。

總結一下，第一宇宙速度與運行速度、發射速度都是不同的概念。第一宇宙速度是衛星的最小發射速度，同時也是衛星的最大運行速度。即想上天，衛星的發射速度必須要達到第一宇宙速度。至於到了天上，衛星的運行速度就可以低於第一宇宙速度了，且隨著高度的增加而減小。衛星上天發射速度必須超過第一宇宙速度，運行速度卻可以小於第一宇宙速度。

本文由空軍指揮學院教授徐邦年進行科學性把關。