火箭是如何擺脫地球引力飛向太空的？答案讓人意外！

我們是地球的「囚犯」宇宙嘲笑我們展示那些我們遙不可及的地方。然而如果人類想有一個長久的未來，我們必須逃離這裡。但首先應該了解到底是什麼力量將我們滯留此地。結果是我們欠了宇宙一大筆「債」，數額為45億年。

圖一

能量產生的監獄宇宙中有質量的物體會吸引另一個有質量的物體，此種現象稱為「引力」，距離某大型質量體越近引力越大或者越容易被拉入重力圈，這種影響力使我們深陷獄中。我們可以想像我們是引力場或引力並中的囚犯，其並非一口真正的井，卻是理解何為引力較為實用的概念。身陷引力監獄意味著，你欠著引力能量。那我們是如何欠了一屁股債的？因為宇宙中，物體一般維持速度和方向，為使其發生改變，需要消耗能量。

幾十億年前，圍繞太陽公轉的無數塵埃顆粒在引力的作用下，凝聚在一起，形成一顆行星。此過程需要消耗能量，同時產生引力並目前我們是其組成部分。在引力並中越深你欠引力的能量越多。如果你不能獲得足夠的能量，無論如何只能乖乖地待在監獄。因為你的原子曾經是宇宙塵埃的一部分。宇宙曾消耗能量將這些塵埃聚集在一起，以達到目前的狀態。

宇宙中的物體不會輕易移動，消耗能量才能使物體移動，引力利用能量，使得組成地球的部分聚集在一起。此過程中產生一個引力監獄，限制住人類，為逃脫此監獄，我們需要償還能量。那我們如何做呢？

圖二

要到達宇宙中，我們需要經過複雜的能量交換過程，為達到目的，我們建造一個負電位的能量償還機，，俗稱「火箭」。火箭利用一些人類所知反應最劇烈的化學反應，以可控的方式，點燃燃料，將化學能量轉為動能，反應產生的廢物向外排出。將火箭推離地球，我們增加引力潛在的能量，複雜的講人類向引力償還「能量」債，但實際上，此系統更加繁雜。

消耗燃料到達預定軌道過程中，你付出了許多能量用來加熱排氣擺脫地球牽引力，因此你實際需要更多的能量。你不能只是將大量危險暴炸性燃料堆積在衛星裝置下，然後引爆。你需要以可控制的形式進行點燃設計很複雜，重量巨大，這意味著質量更大，質量越大，需要更多的能量使其移動。因此火箭升空，需要越多的燃料，但如果你需要越多的燃料，意味著你需要更多火箭攜帶燃料，然而這麼做，火箭重量則越大，需要的燃料越多，需要的越多火箭攜帶燃料，以此類推。最終你需要重於衛星質量100倍的燃料，使其發射升空。

圖三

阿麗亞娜6號火箭為例，此顆歐洲火箭重大800噸，可以將10噸重量運送至同步傳輸軌道或將20噸重量運送至地球中軌道，但火箭帶來推進力只有這麼多，因此有一個重量的極限值。超過此值，火箭將不會升空，如果再增加重量，火箭將不會起飛升空，因此你不能只是建造更大的燃料艙。發射技術一直受限於火箭方程式，這意味著太空旅行永遠不會是易事。但等一下，情況可能更糟糕。

到達太空還遠遠不夠，你目前依舊身處引力監獄，太空的邊緣處，還是會被拉回地球。維持在太空中比到達太空更加困難，到達一個穩定的位置，並且停留一會，火箭需要到達近軌道，達成此目的需要更多的動能，意味著速度需要飛快。海拔在100公里，速度在每秒8公里，時速在28000公里，這個速度環繞地球一圈僅需90分鐘，這裡我們可以用點小技巧，相比直飛衝天，我們可以另闢捷徑，地球是圓形的，如果走小路速度夠快，即便你在墜落中，地表仍在你的下方，只要到達大氣上層，海拔100公里處，你就能維持在軌道，國際空間站就是用此法保持在軌道上，其繞著地球轉，不時消耗能量，以維持速度，如果在此範圍內觀察軌道，我們會發現近地軌道與地球表面如此之近。

圖四

例如衛星前往其他星球，需要償還另一筆能量債。到達軌道目前對於人來說，是空間域光場最困難的部分。比如，如果火箭飛往火星，到達軌道就消耗一半的能量。另一半則提供前往火星5500萬公里的動力。因此為儘可能高效，火箭不應只有一個組成體。相反我們應用多級火箭，我們不必攜帶耗盡的燃料艙而是耗盡後脫落。如今火箭可以分級脫落推進器，在連續的多個階段脫落火箭不斷升空。每個階段有自己滿載的火箭有自己的引擎和燃料，所以這就是為何到達太空是如此困難，這就是火箭科學！