人类如何摆脱地心引力飞向宇宙？宇宙速度是什么？它有什么用？

嫦娥奔月的故事想必大家都已经十分熟悉，故事中嫦娥能够飞升到月亮上靠的是一颗仙药。而现实申，因为地球强大的引力，人类想要遨游太空可没有那么容易。

质量为5.965×l024千克的地球能够产生巨大的引力，不仅能将身处其中的人类以及地表上的万物“吸”住，还能“吸引”上百千米厚的稠密大气层和远在38万千米以外的月球。就是因为这样，人类囿于地球这个摇篮中难以高飞。但正如苏联科学家齐奥尔科夫斯基的墓志铭所写：“地球是人类的摇篮，但是人类不能永远生活在摇篮之中，开始他将小心翼翼地穿出大气层，然后便去征服太阳系。”勇于探索的人类要想征服太阳系，第一步就是要挣脱地球引力。那如何才能挣脱呢？

1687年，英国科学家艾萨克·牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中指出，利用物体围绕地球旋转产生的离心力就可以克服地球引力。牛顿设想，在高山上架起一枚大炮，以一定速度将炮弹射出去，在地球引力的作用下，炮弹沿着一条抛物线到达一定距离后就会落到地面上。如果不断加大炮弹速度，其射程就会随之不断延伸。当炮弹速度足够快时，它就能克服引力绕地球进行圆周运动，甚至脱离地球空间到太阳系行星际空间或者飞出太阳系到恒星际空间漫游。牛顿这一克服地球引力的原理，为人类飞向太空之路指明了方向。

虽然目前，载人飞行最远就是到达月球，但无人航天器最远已经飞抵太阳系的边缘。然而，航天器能够飞出“人类摇篮”最重要的一环就是送其进入宇宙的火箭。火箭会以一个能够克服地球引力的速度，载着飞行器穿出大气层。齐奥尔科夫斯基就在他的书中提出了火箭在自由空间运动的基本原理，推导出了火箭运动的数学公式——“齐氏公式”，阐述了人类克服地球引力所必须获得的速度。这种速度被称为“宇宙速度”，并根据航天器飞离地球远近的需要，分成了三种：第一宇宙速度、第二宇宙速度和第三宇宙速度。

第一宇宙速度也叫环绕速度，是航天器能够在宇宙空间环绕地球做不同高度的圆周运动而不被地球引力拉下来所必须具有的最小速度。科学家计算出这个最小速度为7.9千米/秒。

由于地球对物体产生的引力会随着两者距离的增加而减小，所以航天器的环绕速度也会随着飞行高度的变化而变化，轨道越低，环绕速度越大，环绕周期越短：轨道越高，环绕速度越小，环绕周期就越长。我们用地球半径6 378千米可以算出地球的周长，再除以第一宇宙速度7.9千米/秒，即可得知地表环绕周期约为84.3分钟。这是航天器绕地球一周所需的最短时间。而航天器会根据其工作需要，选择不同高度的轨道绕地运行。

人造卫星在距地面35 786千米高度的圆形轨道上运行时，它的环绕周期是23小时56分4秒，这个时间段刚好与地球自西向东自转一周的时间相同。这样的轨道有很多条，被称为地球同步轨道。如果这条圆形轨道又正好是在地球赤道上空，而且卫星在这条轨道上飞行的方向也和地球自转方向一致，那么卫星与地球表面将保持相对静止，卫星犹如固定在赤道上空某一点一般，一动不动。显然，这种轨道只有一条，我们称之为地球静止轨道。很多卫星，如通信卫星、气象卫星和導航卫星等都在这条地球静止轨道上运行。在35 786千米高的轨道上，卫星环绕速度仅为3.075千米/秒。在静止轨道上均匀地安排三颗通信卫星即可实现全球通信。

第二宇宙速度又称逃逸速度，当航天器超过第一宇宙速度并达到第二宇宙速度11.2千米/秒时，它就会脱离地球引力场进入太阳系行星际空间，成为太阳系中的一颗人造行星。所以，第二宇宙速度就是从地球表面起飞的航天器飞向行星际空间所需的最小速度。与环绕速度一样，逃逸速度也会随着航天器所处的高度变化而变化，轨道越低，逃逸速度越大，轨道越高，逃逸速度越小。

以第一宇宙速度发射的航天器可以围绕地球运行，为我们的生活提供便利。而以第二宇宙速度发射的航天器主要任务就是探测太阳系中的行星、矮行星、小行星和周期性彗星，帮助人类深化对太阳系的认识，同时寻找能够孕育和承载生命的天体。从距离上说，金星是最靠近地球的行星。所以，当人类能够进入太阳系后，第一个被成功探测的就是金星。

20世纪60年代以来，苏联/俄罗斯、美国、欧洲航天局和日本已向金星发射共32个航天器，其中23个成功，9个失败。加上各种路过的探测器，目前已有超过40个航天器有缘与金星相见。除了金星，人类还以第二宇宙速度向其他行星发射了很多探测器，这些探测器为人类带回了很多有价值的资料，使我们对太阳系的认识更加清晰。

第三宇宙速度是从地球表面发射的航天器飞出太阳系到浩瀚的银河系中漫游所需的最小速度。这个速度为16.7千米/秒。我们知道当航天器以第二宇宙速度飞离地球达到距地心93万千米时，便被认为已经脱离地球引力，此后便在太阳引力的作用下运动。而航天器的运行轨道相对于太阳轨道来说是一条抛物线，沿着这条抛物线，航天器最后也会脱离太阳引力场，飞出太阳系。事实上，由于银河系是个庞大的天体系统，航天器以第三宇宙速度飞出太阳系进入银河系后，飞行速度显得很慢。

你知道第一个飞出太阳系的航天器叫什么吗？就是本期“地球人在太空”中的主角——旅行者1号探测器！它是目前在太空中走得最远的人类文明使者，已经飞出太阳系边界。旅行者1号于1977年9月5日发射升空，多年来，与比它早些时候发射的旅行者2号联合对太阳系外围行星及其卫星展开了大量有价值的观测。两个探测器上都带有镀金唱盘，唱盘上记载着地球人用55种语言对可能遭遇的外星文明发出的问候。1998年，旅行者1号超越先驱者10号，成为在宇宙中飞行最远的人类探测器。2003年11月5日，旅行者1号与太阳之间的距离达到90个天文单位，1个天文单位约等于1.496亿千米，也就是说它已与太阳相距近135亿千米。

2014年9月13日，美国国家航空航天局召开新闻发布会，宣布37年前发射的旅行者1号探测器已经离开太阳系，正在向其他恒星飞去。2014年9月20日媒体报道，旅行者1号已飞出约180亿千米，成为名副其实首个冲出太阳系的人造飞行器。

旅行者1号现在的速度已达到每小时24万千米，也就是说它1秒钟可以飞行66.27千米，比刚发射时快了很多。这是因为它在探访木星和土星的时候，科学家使它利用木星和土星的引力作用进行了加速。旅行者1号在离开地球的40多年中，一直向外奔驰，朝着银河系的中心进发，直至生命终止。旅行者1号是齐奥尔科夫斯基那句墓志铭的最好证明，人类文明不仅穿出大气层，征服了太阳系，而且正飞奔向宇宙深处！