如何战胜地球引力

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翻新时间：2023-07-01

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如何战胜地球引力

自古以来，人类就用种种美丽的飞天神话和传说来寄托遨游环宇的梦想。

人类为什么不能飞离地面呢？是缺少一对翅膀么？但是，许多勇敢者模仿鸟类用人造翅膀飞行的尝试都失败了。理论研究证明，由于生理上的局限，人类永远不可能用肌肉的力量在空中支持自身的重量。１６８６年，牛顿揭开了这团迷雾。他在这年发表的《自然哲学数学原理》一书中指出，任何两个物体间都有相互吸引力，由此创建了万有引力定律，即引力的大小跟它们的质量成正比，跟它们之间的距离的平方成反比。由于人与地球质量相差太悬殊，所以人总是被地球强大的引力所束缚而不能离开地面。

现在问题已经明朗了，要离开地面，就要克服地球引力。但如何才能克服地球引力呢？要使一个物体离开地球，必须沿着地球引力相反的方向（即向上）对它加力，使它作加速运动，当它达到一定速度时停止加力，它就能以惯性一直向前脱离地球。这个速度可通过地球的质量和物体与地心的距离计算出来。物体在地球表面上（即距离为地球的半径）飞行时，这个速度为１１．２千米／秒，叫做脱离速度或逃逸速度──是速度战胜了引力。

物体达到１１．２千米／秒的运动速度时能摆脱地球引力的束缚，在摆脱地球束缚的过程中，物体在地球引力的作用下并不是直线飞离地球，而是按抛物线飞行。脱离地球引力以后在太阳引力作用下绕太阳运行，若要摆脱太阳引力的束缚飞出太阳系，物体的运动速度必须达到１６．７千米／秒。那时将按双曲线轨迹飞离地球，而相对太阳来说它将沿抛物线飞离太阳。

人类的航天活动，并不是一味地要飞离地球，当前的应用航天器，需要绕地球飞行，即让航天器作圆周运动。我们知道，物体作曲线运动时会产生离心力。因此，要让航天器作圆周运动，必须始终有一个与离心力大小相等、方向相反的力作用在航天器上。在这里，我们正好可以利用地球的引力。因为地球对物体的引力，正好与物体作曲线运动的离心力方向相反。经过计算，在地面上，物体的运动速度达到７．９千米／秒时，它所产生的离心力，正好与地球对它的引力相等。这个速度被称为环绕速度。

上述使物体绕地球作圆周运动的速度被称为第一宇宙速度；摆脱地球引力束缚，飞离地球的速度叫第二宇宙速度；而摆脱太阳引力束缚，飞出太阳系的速度叫第三宇宙度。根据万有引力定律，两个物体之间引力的大小与它们的距离平方成反比。因此，物体离地球中心的距离不同，其环绕速度（第一宇宙速度）和脱离速度（第二宇宙速度）有不同的数值。

那么，航天器能否在２００千米以下绕地球飞行呢？理论上不仅航天器可以，而且汽车、火车和飞机，都能以惯性绕地球运行。但实际上不仅汽车、火车、和飞机不行，航天器也不可能，因为那里有较浓密的大气，大气阻力会降低航天器的运行速度。速度降低意味着离心力减小，航天器就会在地球引力作用下，沿螺旋线轨迹落向地球。若要维持宇宙速度，则需要携带大量燃料来产生动力，以连续的动力来克服空气阻力。不靠惯性飞行，而靠动力飞行，这就与航空器没有区别了。而且，如果航天器高速在稠密大气层中飞行，气动加热带来的一系列问题是非常难以解决的。为解决这些问题，势必大大增加航天器的质量，这就又要求运载火箭有更高的运载能力，从而使成本极大地增加。