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为什么第一宇宙速度是最大的环绕速度是最小的发射

归档日期:06-26       文本归类:发射速度      文章编辑:爱尚语录

  切记,“最小发射速度”和“最大环绕速度”都是对于特定轨道高度来讲的。前者是指如果速度没有达到第一宇宙速度,会导致近地距离小于地球半径(就是砸回地面);而环绕速度会随着轨道高度的增加而减小,以地球半径为轨道半径的圆轨道是最低的一条环绕轨道,因此具有最大的环绕速度。

  如果发射的角度合适,会进入一个椭圆轨道,越是接近第二宇宙速度偏心率越大。10km/s的速度远远大于第一宇宙速度,可以打出一个偏心率很大的椭圆轨道了(如果速度到了10.8km/s就可以上地球-月球转移轨道,也就是远地点可以有38.4万千米)。

  不管速度的方向如何,最后都会砸回地面。日常生活中就会有感性的认知,就是跳跃,速度越快可以跳得越高,只要速度不超过第二宇宙速度,但最终还会被地球引力拉回地球。航天上有一个术语——亚轨道。

  当航天器以最小半径(地表附近)围绕地球运动时,是物体做匀速圆周运动。此时航天器所受到的万有引力等于向心力,即:GMm/r^2=mv^2/r。

  化简后,得:GM=V r。其中的G是万有引力常数,M为地球质量,r为航天器的轨道半径,在此即为地球半径,V为航天器速度。将各数值代入后,V=7.9 公里/秒。

  说它是最小发射速度,是因为如果小于这个速度,航天器就不能环绕地球飞行,航天器就会飞行一段时间后落回地面。打个比方,向前使劲扔一块石头,扔出去的速度越大,石头飞出去的距离越远。当以某个速度扔出去时,石头下落的弧度正好等于地球表面弯曲的弧度时,这块石头就不会落回地面了,它就会永远环绕地球飞行(忽略大气阻力等其他因素),它就是一颗人造卫星了。而这个速度就是第一宇宙速度。所以说,第一宇宙速度是最小发射速度。

  说它是最大环绕速度,还是看上面化简后的公式。在公式中,速度与半径成平方反比,就是说,航天器的飞行轨道半径越大,当它保持向心力等于万有引力时,它的飞行速度就越小。

  第一宇宙速度是以轨道半径与地球半径相同为基础计算出来的,但实际上没有一颗人造卫星或航天器会擦着地皮飞行,总会有一定轨道高度的,至少要离开地球大气层,也就是100公里高度。只要离开地面,具有了一定的轨道高度,它环绕地球飞行时的速度就会小于第一宇宙速度。一颗近地轨道人造卫星的线公里/秒左右,而一颗飞行在距离地面3.6万公里高度的地球同步卫星的线公里/秒。所以说,第一宇宙速度是最大环绕速度。

  对于环绕速度,如果比第一宇宙速度再大一点,物体就要脱离环绕轨道,飞出去了,所以不能再大了,它就是最大环绕速度。对于发射速度,如果物体速度小于发射速度,那么它就摆脱不了地球引力,也就不会飞到外太空去,所以不能再小了,它就是最小发射速度。

  所以r越小v越大。发射的卫星的高越高其线速v越小。第一宇宙速度也叫环绕速度其轨道半经等于地球半径,所以是最大速度。

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