發(fā)射火箭必須達(dá)到第一宇宙速度才能飛出大氣層，這是中學(xué)課本中就已經(jīng)告訴我們了！這個(gè)第一宇宙速度最早是牛頓提出來的，進(jìn)入宇航時(shí)代后就成了人類飛出地球的“秘籍”！從發(fā)射的第一顆衛(wèi)星開始到正要遠(yuǎn)征火星的“天問一號(hào)”，一直都沒有改變過！

為什么要第一宇宙速度才能飛出地球？

牛頓在1687年發(fā)表《自然科學(xué)的哲學(xué)原理》中一起發(fā)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(yùn)動(dòng)，其實(shí)就是一個(gè)道理！

• 天體之間的引力和它們的質(zhì)量成正比，與距離的平方成反比

• 地球表面的自由落體運(yùn)動(dòng)，下落的物體和地球所受的引力是一樣的，物體下落的同時(shí)，其實(shí)地球也向物體靠近了一丟丟

牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力之后，他也考慮了一種離開地球的方式，但其實(shí)他當(dāng)時(shí)根本就沒想到以后真的能用這種方法離開地球！那么是什么方法呢？

看起來也非常簡(jiǎn)單，地球不是一個(gè)超級(jí)球體么，我們?cè)诘孛嫔闲羞M(jìn)的時(shí)候其實(shí)是在繞一個(gè)半徑大約6370千米的圓，不過到當(dāng)時(shí)為止也只有為數(shù)不多的航海家完成了環(huán)球航行，絕大多數(shù)人只是繞了這將近4萬千米左右的圓周一部分而已！

那么當(dāng)我們速度足夠快時(shí)，這個(gè)繞地心同時(shí)會(huì)產(chǎn)生“離心力”，當(dāng)“離心力”和重力相等時(shí)，這個(gè)物體就可以克服重力一直保持圓周運(yùn)動(dòng)而不至于落到地面上！而此時(shí)繞地球的線速度就是第一宇宙速度！

0速度發(fā)射的情況，直接墜入原地

低于第一宇宙速度的情況，拋物線軌跡

等于第一宇宙發(fā)射，物體將繞地球公轉(zhuǎn)

簡(jiǎn)單的理解就是“離心力”等于重力即可，這個(gè)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(huì)隨著高度變換而出現(xiàn)變化。

離開地面的各種方法

盡管牛頓發(fā)現(xiàn)了離開地球的方法，但在他以后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都沒有實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，甚至連飛翔都還沒實(shí)現(xiàn)，一直到1783年蒙哥爾費(fèi)兄弟發(fā)明了熱氣球！也許各位可能會(huì)有不同意見，我們中國(guó)人早就發(fā)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(jiǎn)單，一個(gè)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(huì)產(chǎn)生靜浮力，當(dāng)靜浮力大于其本身質(zhì)量時(shí)就能克服重力上升！

最早的熱氣球

1862年氣象學(xué)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(dāng)時(shí)的極限水準(zhǔn)了，并不是熱氣球不給力，而是人體對(duì)低含氧量環(huán)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(shí)就到了12%，10000米時(shí)就會(huì)到達(dá)人體耐受極限的6%以下，難以呼吸直至死亡。

現(xiàn)代實(shí)用耐壓艙室的氣球（氦氣球）一般都可以達(dá)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(shí)大約是民航客機(jī)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?yàn)樗鼈儽旧硇枰髿庾鳛榻橘|(zhì)！和熱氣球一樣，飛機(jī)也無法離開大氣層，因?yàn)轱w機(jī)機(jī)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(jī)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(fā)現(xiàn)了，這就是發(fā)明黑火藥的中華民族，我們將它用來制作爆竹，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(dá)德在1926年3月26日第一枚液體火箭試飛成功后，狀態(tài)迅速被改變！

羅伯特·戈達(dá)德和第一枚液體火箭

早在1919年，齊奧爾科夫斯基就已經(jīng)發(fā)表了關(guān)于多級(jí)火箭的論文《太空火箭列車》，開啟了多級(jí)火箭的概念，理論和工具的配合，是1957年10月4日蘇聯(lián)人在拜科努爾發(fā)射場(chǎng)用P-7洲際導(dǎo)彈改裝的“衛(wèi)星”號(hào)運(yùn)載火箭把世界上第一顆人造地球衛(wèi)星“斯普特尼克1”號(hào)送入軌道的關(guān)鍵！

為什么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(jí)火箭理論是理解其中的關(guān)鍵，因?yàn)榈厍蛴幸粋€(gè)厚厚的大氣層（太空的標(biāo)準(zhǔn)是至少距離地面100千米），在內(nèi)部飛行時(shí)阻力很大，因此環(huán)繞時(shí)必須要于此速度！

那么有一個(gè)非常關(guān)鍵的要求就是，火箭起飛后必須盡快爬到凈高度100千米以上，垂直穿透明顯是最短的，但卻有一個(gè)問題，火箭燃料有限，垂直爬高到100千米時(shí)燃料早已燒光，此時(shí)沒有水平速度，那么火箭慣性上升一段時(shí)間后仍然會(huì)掉回地球！

唯一的方法是垂直飛離低空大氣層后迅速拐彎轉(zhuǎn)向地球自轉(zhuǎn)的方向，此時(shí)火箭的速度還可以加上地球自轉(zhuǎn)的速度（赤道地區(qū)有460米/秒），能節(jié)省不少燃料！當(dāng)火箭爬高到100多千米時(shí)，水平速度也許已經(jīng)有4千米/秒，那么此時(shí)拋棄第一級(jí)火箭的死重，然后啟動(dòng)二級(jí)火箭，將其加速到接近第一宇宙速度，接力后已經(jīng)可以在低軌道環(huán)繞了！如果這個(gè)軌道不是想要的高度的話，還可以拋棄二級(jí)、啟動(dòng)三級(jí)火箭繼續(xù)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(qū)的話，必須垂直爬高到赤道上方的靜止軌道才可以，因?yàn)橐缘厍蜃赞D(zhuǎn)的角速度要到42164.169km（距離地心）的高度時(shí)產(chǎn)生的“離心力”才能和地球?qū)Υ颂幬矬w的引力抗衡！這個(gè)高度距離地面大約35786千米，此時(shí)赤道上的線速度465米/秒將會(huì)被放大到3.07千米/秒，這足夠讓這個(gè)物體保持在地球靜止軌道上運(yùn)行上百萬年！

各種軌道數(shù)據(jù)

我們沒有任何一種火箭能如此變態(tài)，比如固體火箭的比沖極限是285S，氫氧的液體火箭的比沖能達(dá)到450S以上，但這些火箭遠(yuǎn)不足以直接到達(dá)靜止軌道，離子電推的比沖是3000S以上可以滿足要求，但它推力極小，到現(xiàn)在為止僅僅是作為衛(wèi)星變軌使用，未來的霍爾電推也許能達(dá)到行星際間飛行，但想要從地面起飛直接進(jìn)入太空，只有依靠空天飛機(jī)！

GOCE的衛(wèi)星的離子發(fā)動(dòng)機(jī)

未來的空天飛機(jī)

上文我們說了飛機(jī)需要大氣作為升力的來源，但這個(gè)前提是發(fā)動(dòng)機(jī)不給力，早期的螺旋槳更是推動(dòng)大氣作為前進(jìn)的依托，后來的噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)需要吸入大量的氧氣以維持燃燒，但現(xiàn)在正在迅速改觀，因?yàn)槲磥韺?huì)實(shí)現(xiàn)一種串聯(lián)式的發(fā)動(dòng)機(jī)！

地面起飛時(shí)使用的是渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，不使用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)是因?yàn)闇u噴的涵道比低適合高速，然后在超音速5-6馬赫后旁路渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，啟動(dòng)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，一直到高空后再啟動(dòng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，飛出大氣層！這種組合模式，可以節(jié)省大量攜帶氧化劑的空間，因?yàn)榛鸺亲詭а趸瘎┖腿剂?，一開始就消耗氧化劑，實(shí)在太浪費(fèi)！

因此未來最有前途的模式是空天飛機(jī)，因?yàn)樗侨祟惿陨耘ο戮湍軌蛑募夹g(shù)，相信它在不久以后一定能實(shí)現(xiàn)！

真正慢慢爬出去的太空電梯

它的原理很簡(jiǎn)單，制造一根大約十萬千米的繩索，一頭系留在赤道上某點(diǎn)，另一頭配置一個(gè)配重，讓其在“離心力”的作用下繃緊，然后就可以制造一個(gè)電力驅(qū)動(dòng)的電梯，從這根繩索上慢慢升到3.6萬千米左右的高度，然后就可以脫離電梯成為一個(gè)環(huán)繞地球飛行，短期內(nèi)不會(huì)墜落的環(huán)繞地球飛行器了！

太空電梯

地面基地

這個(gè)方式是真正可以慢慢爬出去的，多慢的速度都可以！但這個(gè)技術(shù)碰到了非常大的一個(gè)難題，即一直無法找到這種超高強(qiáng)度的材料，即使超高強(qiáng)度鋼材也會(huì)在十幾千米后被自身重量拉斷，碳納米材料也許能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出鋼材，但我們?nèi)匀粺o法大規(guī)模制造！理論上這種技術(shù)是最理想的，因?yàn)槟莻€(gè)電梯可以用電，甚至可以用布置在電梯頂端的太陽(yáng)能電池供電，利用太陽(yáng)能爬出地球，想想就激動(dòng)！