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!
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!
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!
那么当我们速度足够快时,这个绕地心同时会产生“离心力”,当“离心力”和重力相等时,这个物体就可以克服重力一直保持圆周运动而不至于落到地面上!而此时绕地球的线速度就是第一宇宙速度!
0速度发射的情况,直接坠入原地
低于第一宇宙速度的情况,抛物线轨迹
等于第一宇宙发射,物体将绕地球公转
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!
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,但一般近地轨道需要400千米以上),在内部飞行时阻力很大,因此环绕时必须要高于此高度!
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3-4千米/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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