为啥只有达到第一宇宙速度，火箭才能飞出大气层？

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发射火箭必须达到第一宇宙速度才能飞出大气层，这是中学课本中就已经告诉我们了！这个第一宇宙速度最早是牛顿提出来的，进入宇航时代后就成了人类飞出地球的“秘籍”！从发射的第一颗卫星开始到正要远征火星的“天问一号”，一直都没有改变过！

为什么要第一宇宙速度才能飞出地球？

牛顿在1687年发表《自然科学的哲学原理》中一起发表了万有引力定律，揭示了宇宙中的天体之间的相互作用和地球上物体的自由落体运动，其实就是一个道理！

天体之间的引力和它们的质量成正比，与距离的平方成反比

地球表面的自由落体运动，下落的物体和地球所受的引力是一样的，物体下落的同时，其实地球也向物体靠近了一丢丢

牛顿发现了万有引力之后，他也考虑了一种离开地球的方式，但其实他当时根本就没想到以后真的能用这种方法离开地球！那么是什么方法呢？

《自然哲学的科学原理》中牛顿设想的离开地球的方法

看起来也非常简单，地球不是一个超级球体么，我们在地面上行进的时候其实是在绕一个半径大约6370千米的圆，不过到当时为止也只有为数不多的航海家完成了环球航行，绝大多数人只是绕了这将近4万千米左右的圆周一部分而已！

简单的理解就是“离心力”等于重力即可，这个速度在地表大约是7.9千米/秒，在近地轨道大约是7.8千米/秒，它会随着高度变换而出现变化。

离开地面的各种方法

尽管牛顿发现了离开地球的方法，但在他以后很长一段时间内都没有实现目标，甚至连飞翔都还没实现，一直到1783年蒙哥尔费兄弟发明了热气球！也许各位可能会有不同意见，我们中国人早就发明了热空气上升的孔明灯，但很可惜我们从来都没有将它用来载人！

孔明灯

热气球能升到多高？

热气球原理很简单，一个可以控制开合的大气球，底部用燃料加热，热空气膨胀密度减小，在大气层中就会产生静浮力，当静浮力大于其本身质量时就能克服重力上升！

最早的热气球

1862年气象学家詹姆斯·格莱舍和气球飞行家艾米丽亚·雷恩，在未携带氧气的情况下，上升到了9144米，这是当时的极限水准了，并不是热气球不给力，而是人体对低含氧量环境的耐受能力，3000米以上，含氧量就降低到18%左右，人就开始不舒服了，5000米时就到了12%，10000米时就会到达人体耐受极限的6%以下，难以呼吸直至死亡。

现代实用耐压舱室的气球（氦气球）一般都可以达到40千米左右，比如2012年10月4日，Felix乘坐气球在距离地面高度的39045米处跳伞成功，此时大约是民航客机的5倍高度！

但无论是热气球还是氦气球，都不可能突破大气层，因为它们本身需要大气作为介质！和热气球一样，飞机也无法离开大气层，因为飞机机翼需要空气来赋予其升力，离开了大气层同样寸步难行！而且飞机的极限升限还不如气球！

双三的SR71，三马赫，3万米

轻易突破地球束缚的火箭

和热气球一样，火箭的原理人类早就发现了，这就是发明黑火药的中华民族，我们将它用来制作爆竹，这就是俗称的二踢脚！但很明显它很难用来将物体送入太空，但罗伯特·戈达德在1926年3月26日第一枚液体火箭试飞成功后，状态迅速被改变！

罗伯特·戈达德和第一枚液体火箭

早在1919年，齐奥尔科夫斯基就已经发表了关于多级火箭的论文《太空火箭列车》，开启了多级火箭的概念，理论和工具的配合，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”号运载火箭把世界上第一颗人造地球卫星“斯普特尼克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其中的关键，因为地球有一个厚厚的大气层（太空的标准是至少距离地面100千米），在内部飞行时阻力很大，因此环绕时必须要于此速度！

那么有一个非常关键的要求就是，火箭起飞后必须尽快爬到净高度100千米以上，垂直穿透明显是最短的，但却有一个问题，火箭燃料有限，垂直爬高到100千米时燃料早已烧光，此时没有水平速度，那么火箭惯性上升一段时间后仍然会掉回地球！

唯一的方法是垂直飞离低空大气层后迅速拐弯转向地球自转的方向，此时火箭的速度还可以加上地球自转的速度（赤道地区有460米/秒），能节省不少燃料！当火箭爬高到100多千米时，水平速度也许已经有4千米/秒，那么此时抛弃第一级火箭的死重，然后启动二级火箭，将其加速到接近第一宇宙速度，接力后已经可以在低轨道环绕了！如果这个轨道不是想要的高度的话，还可以抛弃二级、启动三级火箭继续爬高到想要的轨道。

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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