【簡介：】我們向太空發(fā)射衛(wèi)星、飛船和空間站，這些航天器要升到多高，飛得多快才能不掉下來？有朋友說，這還不簡單，第一宇宙速度呀！只要航天器的速度達(dá)到7.9公里/秒，它便能一直在天上轉(zhuǎn)；要是低于
我們向太空發(fā)射衛(wèi)星、飛船和空間站，這些航天器要升到多高，飛得多快才能不掉下來？有朋友說，這還不簡單，第一宇宙速度呀！只要航天器的速度達(dá)到7.9公里/秒，它便能一直在天上轉(zhuǎn)；要是低于這個速度就會掉下來。
真是這樣？
天宮空間站繞地球飛行，它目前的近地點(diǎn)軌道高度是383.7公里，遠(yuǎn)地點(diǎn)高度393.7公里，從數(shù)學(xué)上來講它是一個橢圓形軌道。而對于巨大的地球來說，這是一個距地面約388.6公里的接近圓的軌道。天宮空間站在這個圓軌道上高速飛行，每天要繞地球轉(zhuǎn)15圈半，大約每1個半小時，航天員們就要經(jīng)歷一次日出與日落。
根據(jù)天宮空間站的軌道參數(shù)，它目前的軌道速度是7.68公里/秒，雖然比所有已知的飛機(jī)都快，但低于書上說的第一宇宙速度：7.9km/s。
第一宇宙速度到底是什么？都說航天器只有高于這個速度才能逃脫地心引力，為什么衛(wèi)星和空間站不會掉落下來呢？
我們向天上扔一塊石頭，它會很快就掉下來；扔石頭的速度不夠快，你向天空開槍，子彈出膛的速度大約是800米/秒，夠快了吧？但十幾秒后它也要落下來。為什么？因?yàn)槿f有引力。
牛頓認(rèn)為，兩個有質(zhì)量的物體，它們互相之間會產(chǎn)生引力，引力大小與它們的質(zhì)量有關(guān)，跟它們之間的距離也有關(guān)系。萬有引力定律已經(jīng)被無數(shù)實(shí)驗(yàn)證明是正確的。小到你扔石頭，大到天體運(yùn)行，它的運(yùn)動都符合萬有引力定律。
地球夠大夠重，它對周圍的一切物體都有引力，換句話說你的重量就是地球?qū)δ愕囊Υ笮 Ｊ瘔K、子彈、你我、衛(wèi)星還有空間站都是有質(zhì)量的物體，地球?qū)λ鼈兌加幸?。地球質(zhì)量基本固定，引力的大小取決于物體的質(zhì)量和距離r。我們處于地球表面，r = 地球半徑——也就是地球質(zhì)心（地心）與地表間距離。
從萬有引力公式可以看出：地球質(zhì)量m?、地球半徑r、萬有引力常數(shù)G都是固定的，那么我們受到地球引力的大小就取決于我們自身質(zhì)量的不同。
衛(wèi)星和空間站要在天上持續(xù)運(yùn)行，它就要克服萬有引力的影響。怎么克服？科學(xué)家想到了“離心力”。奧運(yùn)會上運(yùn)動員投擲鏈球，就是先把球旋轉(zhuǎn)起來，利用“離心力”將球投擲出去，你旋轉(zhuǎn)速度越快，投擲的距離就越遠(yuǎn)。
“離心力”是一種虛擬力，物理學(xué)上并沒有“離心力”一說，所以我給它加上了引號。當(dāng)一個物體繞牽引力中心做非直線運(yùn)動時，由于物體有質(zhì)量，質(zhì)量產(chǎn)生的慣性會強(qiáng)迫物體朝著運(yùn)動軌跡的切線方向前進(jìn)，慣性力作用到牽引力的相反方向上，將物體向外拉扯；運(yùn)動物體的質(zhì)量越大、運(yùn)動速度越快，它所產(chǎn)生的慣性力就越大。
我們坐在一輛高速行駛的車上，車轉(zhuǎn)彎時，你會感覺到自己被向外甩，這是因?yàn)樯眢w慣性的作用，慣性產(chǎn)生一個向外的虛擬力，這個“力”就被稱為離心力。
一個繞圓心做圓周運(yùn)動的物體，它的向心力（與“離心力”大小相等方向相反）F受兩個因素影響，一是它的向心加速度a，另一個是它自身的質(zhì)量m。用公式表現(xiàn)為：
F=ma
其中向心加速度a與切線運(yùn)動速度v以及運(yùn)動半徑r的關(guān)系如下：
a=v2/r
所以：
F=mv2/r
對于一顆繞地球做圓周運(yùn)動的衛(wèi)星來說，它要保持不掉下來（r穩(wěn)定），需要做到地球?qū)λ囊εc運(yùn)動產(chǎn)生的“離心力”大小相等、方向相反。于是：
F=Gm?m?/r2=m?v2/r
v2=Gm?/r
我們知道，地球的質(zhì)量m?是固定的，G是萬有引力常數(shù)，于是衛(wèi)星的軌道速度v只受r的變化影響，與衛(wèi)星的質(zhì)量m?大小沒有關(guān)系。
那么，什么是第一宇宙速度呢？
第一宇宙速度是指一個物體貼著海平面飛行（不考慮空氣升力和阻力）時，它不落回地面的速度。海平面到地心的距離就是地球的平均半徑r，它的值約為6371.4千米。那么：
v2 = Gm?/r ≈ 6.67×10?11× 5.965×102? / 6371400
v ≈ 7.91 km/s
我們將這個海平面飛行速度(v)7.91公里/秒稱為“第一宇宙速度”，也就是繞飛地球的速度。
事實(shí)上沒有一顆衛(wèi)星能做到以如此快的速度貼著海平面飛行。為了克服空氣阻力，我們需要將它發(fā)射到100公里以上的大氣層外邊。于是上邊公式中的 r 就變大了。
按照中國空間站388.6公里的平均軌道高度算：
r = 6371.4 + 388.6 = 6760公里
代入軌道速度計(jì)算公式后得出：v ≈ 7.68 km/s
這個值顯然小于7.91公里/秒的第一宇宙速度。
由此我們可以得出結(jié)論：
在軌飛行的航天器，無論是衛(wèi)星、飛船還是更大更重的空間站，只要它是在近圓軌道上飛行，其軌道高度越高，飛行的速度就越慢。位于3.6萬公里高度的靜止軌道衛(wèi)星的速度只有3.1公里/秒，遠(yuǎn)低于第一宇宙速度。
對于處在橢圓軌道上飛行的衛(wèi)星（比如我國第一顆衛(wèi)星“東方紅一號”）而言，它的軌道速度是在一個區(qū)間里不斷變化。有些通信衛(wèi)星為了在它感興趣的地區(qū)能逗留更長時間，特意采用了一種高度橢圓的軌道（Molniya軌道），它的軌道速度在1.5~10公里/秒的范圍內(nèi)不斷變化。
因此，如果有人告訴你天上衛(wèi)星的速度都是第一宇宙速度，那是他對軌道速度的概念有誤解。
