火箭必须达到第一宇宙速度才能飞出大气层，中学课本上已经讲过了！这个第一宇宙速度最早由牛顿提出，进入太空时代后，成为人类飞出地球的“秘密”！从发射第一颗卫星到远征火星，“田文一号”从未改变！

为什么要第一宇宙速度才能飞出地球？

牛顿在1687年发表了万有引力定律《自然科学的哲学原理》，揭示了宇宙中天体之间的相互作用和地球上物体的自由落体运动。其实是一个道理！

天体之间的引力与它们的质量成正比，与距离的平方成反比。

地球表面的自由落体，落体和地球引力是一样的。当物体下落时，其实地球也在靠近物体。

牛顿发现万有引力后，也考虑过离开地球的方法，但其实他完全没想到自己以后真的可以这样离开地球！那么方法是什么呢？

103010牛顿离开地球的方法

看起来也很简单。地球不是一个超级球体吗？当我们在地面上旅行时，我们实际上是绕着一个半径约为6370公里的圆转。但在此之前，只有少数航海家完成了环球航行，绝大多数人只绕了这个近4万公里的圈子的一部分！

那么当我们足够快时，就会产生围绕地心的离心力。当离心力与重力相等时，物体可以逆着重力保持圆周运动，而不会落地！这时候绕地球的线速度就是第一宇宙速度！

0速度发射，直接坠入原地。

低于第一宇宙速度，抛物线轨迹

等于第一个宇宙的发射，物体会围绕地球旋转。

简单的理解就是“离心力”等于重力。这个速度在地表约为7.9公里/秒，近地轨道约为7.8公里/秒。它会随着海拔高度而变化。

离开地面的各种方法

牛顿虽然发现了离开地球的方法，但是很长一段时间都没有达到目的，甚至是飞行，直到1783年蒙哥马利兄弟发明了热气球！也许你会有不同的看法。我们中国人已经发明了热气腾腾的孔明灯笼很久了，但是很遗憾我们从来没有用它来载人！

天灯

热气球能升多高？

热气球的原理很简单。开合可控的大气球，底部由燃料加热，降低热空气的膨胀密度，在大气中产生静浮力。当静浮力大于自身质量时，可以克服重力上升！

最早的热气球

1862年，气象学家詹姆斯格莱舍(james Glaisher)和气球驾驶员阿米莉亚雷恩(Amelia Raine)在不携带氧气的情况下上升到9144米，这是当时的极限水平。并不是热气球没起作用，而是人体对低氧含量的耐受性。3000米后，含氧量下降到18%左右，人开始不舒服，5000米和10000米时达到12%。

一般现代耐压舱内的气球(氦气球)能达到40公里左右。例如，2012年10月4日，Felix在39045米,成功跳伞，这个高度大约是民航客机的五倍。

但是无论是热气球还是氦气球都无法突破大气层，因为它们本身就需要大气层作为媒介！像热气球一样，飞机不能离开大气层，因为飞机的翅膀需要空气给它升力，离开大气层也很难移动！而且飞机的极限升限还不如气球呢！

双SR71，3马赫，3万米

轻松突破地球束缚的火箭

和热气球一样，火箭的原理早就被人类发现了。这就是发明黑粉的中华民族。我们用它来做鞭炮，也就是俗称的双踢！但显然很难把物体送上太空，但罗伯特戈达德的状态在1926年3月26日第一枚液体火箭试飞成功后迅速改变！

罗伯特戈达德的第一枚液体火箭

早在1919年，齐奥尔科夫斯基就曾发表过关于多级火箭的论文《自然哲学的科学原理》，开辟了多级火箭的概念、理论和工具。是1957年10月4日苏联人在拜科努尔发射场用P-7洲际导弹改装的“卫星”将世界上第一颗人造地球卫星“普特尼克1号”送入轨道的关键！

为什么要将火箭加速到第一宇宙速度，慢慢爬出去不行吗？

齐奥尔科夫斯基的多级火箭理论是理解它的关键，因为地球有厚厚的大气层(太空的标准是距离地面至少100公里，但一般在近地轨道需要400公里以上)，在里面飞行时阻力很大，所以盘旋时必须高于这个高度！

然后还有一个非常关键的要求，就是火箭起飞后必须尽快爬升到100公里以上的净高度。垂直渗透显然是最短的，但是有一个问题。火箭燃料有限，垂直爬升到100公里时，燃料早已燃尽。这个时候没有水平速度，所以火箭惯性上升一段时间后还是会落回地球！

唯一的办法就是垂直飞出低层大气，快速转弯。

慢慢爬要多高才能脱离地球的引力？

如果赤道地区的话，必须垂直爬高到赤道上方的静止轨道才可以，因为以地球自转的角速度要到42164.169km（距离地心）的高度时产生的“离心力”才能和地球对此处物体的引力抗衡！这个高度距离地面大约35786千米，此时赤道上的线速度465米/秒将会被放大到3.07千米/秒，这足够让这个物体保持在地球静止轨道上运行上百万年！

各种轨道数据

我们没有任何一种火箭能如此变态，比如固体火箭的比冲极限是285S，氢氧的液体火箭的比冲能达到450S以上，但这些火箭远不足以直接到达静止轨道，离子电推的比冲是3000S以上可以满足要求，但它推力极小，到现在为止仅仅是作为卫星变轨使用，未来的霍尔电推也许能达到行星际间飞行，但想要从地面起飞直接进入太空，只有依靠空天飞机！

GOCE的卫星的离子发动机

未来的空天飞机

上文我们说了飞机需要大气作为升力的来源，但这个前提是发动机不给力，早期的螺旋桨更是推动大气作为前进的依托，后来的喷气式发动机需要吸入大量的氧气以维持燃烧，但现在正在迅速改观，因为未来将会实现一种串联式的发动机！

地面起飞时使用的是涡喷发动机，不使用涡扇发动机是因为涡喷的涵道比低适合高速，然后在超音速5-6马赫后旁路涡喷发动机，启动冲压发动机，一直到高空后再启动火箭发动机，飞出大气层！这种组合模式，可以节省大量携带氧化剂的空间，因为火箭是自带氧化剂和燃料，一开始就消耗氧化剂，实在太浪费！

因此未来最有前途的模式是空天飞机，因为它是人类稍稍努力下就能够着的技术，相信它在不久以后一定能实现！

真正慢慢爬出去的太空电梯

它的原理很简单，制造一根大约十万千米的绳索，一头系留在赤道上某点，另一头配置一个配重，让其在“离心力”的作用下绷紧，然后就可以制造一个电力驱动的电梯，从这根绳索上慢慢升到3.6万千米左右的高度，然后就可以脱离电梯成为一个环绕地球飞行，短期内不会坠落的环绕地球飞行器了！

太空电梯

地面基地

这个方式是真正可以慢慢爬出去的，多慢的速度都可以！但这个技术碰到了非常大的一个难题，即一直无法找到这种超高强度的材料，即使超高强度钢材也会在十几千米后被自身重量拉断，碳纳米材料也许能远远超出钢材，但我们仍然无法大规模制造！理论上这种技术是最理想的，因为那个电梯可以用电，甚至可以用布置在电梯顶端的太阳能电池供电，利用太阳能爬出地球，想想就激动！

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