[科普中國]-發(fā)射衛(wèi)星要達(dá)到第一宇宙速度嗎？帶你了解衛(wèi)星那些事

牛頓曾經(jīng)研究過這樣一個問題，人擲出去的石頭，由于受到重力作用，總會偏離初方向落回地面。于是他提出了一個大炮的設(shè)想：在地球的一座高山上，架起一只水平的大炮，以不同的速度將炮彈平射出去，當(dāng)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(yuǎn)的B點；如果繼續(xù)增大炮彈的出射速度，炮彈就會飛得更遠(yuǎn)一些。

炮彈的出射速度越大，炮彈落點就離山腳越遠(yuǎn)。如果地面是個平面，即使炮彈出射速度再大、飛行再遠(yuǎn)，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(zhuǎn)而繞地球飛行了。并且實際上，地球?qū)λ囊r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(dāng)向心力，炮彈環(huán)繞地球做勻速圓周運動，永遠(yuǎn)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(wèi)星的運行速度和發(fā)射速度又是什么關(guān)系呢？運行速度，顧名思義，就是衛(wèi)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(wèi)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(wèi)星因為其軌道半徑最小，所以其運行速度最大。

發(fā)射速度指的是衛(wèi)星發(fā)射之后，衛(wèi)星與火箭分離時所達(dá)到的速度。那么不同衛(wèi)星的發(fā)射速度又該如何比較呢？當(dāng)衛(wèi)星質(zhì)量一定時，衛(wèi)星的軌道半徑越大，它所應(yīng)該具有的機(jī)械能就應(yīng)該越大，因此在發(fā)射這顆衛(wèi)星的時候就必須要給它更大的速度才能達(dá)到應(yīng)該有的高度。也就是衛(wèi)星的軌道半徑越大，它的發(fā)射速度就越大。近地衛(wèi)星因為其軌道半徑最小，所以其發(fā)射速度最小。

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

原來衛(wèi)星發(fā)射之后繼續(xù)上升，受地球的引力作用，速度就會減小。只有近地衛(wèi)星，因為軌道近似就在地球表面，發(fā)射速度近似等于運行速度，其他軌道衛(wèi)星發(fā)射之后要上升高度，受地球引力減速，所以最終運行速度都小于發(fā)射速度。這樣就知道了，近地衛(wèi)星所需要的發(fā)射速度最小，并且還近似等于它的運行速度。發(fā)射衛(wèi)星所需要的最小速度就通過近地衛(wèi)星運行速度來計算，衛(wèi)星在地球表面做勻速圓周運動，萬有引力充當(dāng)向心力，只需一步就能解出這個運行速度，它等于7.9km/s，這就是第一宇宙速度的值。

總結(jié)一下，第一宇宙速度與運行速度、發(fā)射速度都是不同的概念。第一宇宙速度是衛(wèi)星的最小發(fā)射速度，同時也是衛(wèi)星的最大運行速度。即想上天，衛(wèi)星的發(fā)射速度必須要達(dá)到第一宇宙速度。至于到了天上，衛(wèi)星的運行速度就可以低于第一宇宙速度了，且隨著高度的增加而減小。衛(wèi)星上天發(fā)射速度必須超過第一宇宙速度，運行速度卻可以小于第一宇宙速度。

本文由空軍指揮學(xué)院教授徐邦年進(jìn)行科學(xué)性把關(guān)。