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航天器可以什麼速度可以飛出地球

先說達到逃逸速度離開地球。都知道達到逃逸速度可以離開地球,你知道原因嗎?

舉個例子,你拿根細繩,一端綁個石頭,一端用手拉著越過頭甩起來,石頭有了速度,就會對你做圓周運動,如果你越來越快,石頭速度也會越來越快。或許你繩子不結實的話,你的繩子就會斷掉,石頭就離你而去。產生的這個讓石頭拉斷繩子的力,叫做離心力。同理,當一個物體告訴運動時,於地球之間就會產生這種力,隨著速度越來越快,離心力越來越強,就好比石頭拉斷繩子一般,它就會克服地球的引力逃脫,這就能離開地球了。好了,再來說說為何緩慢速度也可以離開地球。

航天飛行

再舉個例子,當你跳起來的時候,你的速度明顯達不到逃逸速度,為何你還能離開地面。這是因為在你彈跳時,你的彈跳力克服了地球引力,但這個過程是短暫的。當你的彈跳力在克服地球引力的過程中,上升動能在引力和阻力作用下消耗完,不足以對抗引力,你就被拉回地面了。如果有一個持續的力對抗地球引力,就好比你慢慢提起東西,就算是很慢,但東西在有了你的提升力後,他就克服了地球引力,離開了地面,除非你手酸,提不住放下,不然你可以一直提著,它會一直都是離開地面的。

航天器《電影》

所以,不管是航天器緩慢離開地球表面也好,快速離開地球表面也好,只要克服地球引力,都可以離開地球。但慢慢離開這種不科學,你如何獲得這種源源不斷緩慢的力?這種就會造成拿兩百噸燃料推200斤東西的局面,不合算,而且攜帶的燃料也是有重量的。就像你開車,速度快時慣性大,藉助慣性省油,速度慢就費油。

航天器

如果有足夠多的燃料,這個燃料可能是個天文數字,理論上可以,但這是傻子才幹的事。事實上,火箭上天起飛重量主要就是燃料,真正的有效載荷很小。明明100噸燃料可以把衛星送上天,你一定要顯擺自己,為了證明自己正確,花10000噸燃料把一個本來只要100噸燃料的東西弄上去。而且回來用自由落體就可以了,但你一定要用反推力來緩緩降下,又要10000噸燃料,這豈不是作死的傻子?

當然這隻能是按照題主提出的燃料足夠情況下的假設,實際上這種做法也是行不通的。由於慢慢地推力需要更多的燃料,這樣飛船的起始重量就會巨大,比如上述假設(並沒有精確的計算)要攜帶20000多噸燃料, 發動機和推力就要十分巨大,起飛所消耗的燃料也將十分巨大。這樣不但這個火箭要做的非常龐大,在飛行中需要克服的空氣阻力也大大加大,又需要更多的燃料,這就形成了一個又一個能以解開的矛盾。

航天器

上了天以後,為了留足返回時緩慢下降反推力的燃料,還要載著10000噸的燃料在太空中飛行,而實際上有效載荷只有十幾噸,卻要拖著一個10000噸的包袱。由於燃料太多,還有巨大的安全風險。

要知道,地球上的宇宙速度有三個,即第一宇宙速度(環繞速度),第二宇宙速度(脫離速度),第三宇宙速度(太陽系逃逸速度)。第一宇宙速度是飛到地球軌道,圍繞著地球軌道運行的最低速度,為每秒7.9公里,如果達不到這個速度,就會被地球的引力拖下來。要脫離地球,就需要11.2公里/秒的速度,要脫離太陽引力就要達到16.7公里/秒的速度。

飛行

所以,不管你開始用怎樣的速度慢慢離開地球升上軌道,你最終都得達到這個基本速度,才能夠圍繞著地球飛行。太空中沒有阻力,近地軌道阻力也極其微弱,如果達到了第一宇宙速度,就可以依靠慣性圍繞著地球軌道飛行。如果一定要按照100km/h的速度飛,只能一直用燃料向上飛,直到你的燃料耗盡,還是會被拖進地球引力,掉落下來。

火箭起飛發動機是根據起飛重量設計的。比如嫦娥一號的起飛重量為260噸,發動機推力設計為2962千牛頓(300噸),這樣推力抵消掉起飛重量,就剩下約40噸的推力用於加速度。這個加速度開始很小,為1.5米/秒,10秒後會提升到15米/秒,推進劑消耗每秒1噸,隨著燃料重量降低,而加速度也增大。如果按照題意為了保持100km/h的速度緩緩飛行,需要帶那麼多的燃料,發動機要設計多大的?而且當達到了100km/h速度後,為了停止加速度的慣性,還需「點剎車」(反推力),這又要消耗很多燃料。

GIF

模擬

上世紀六十年代美國發射的土星五號起飛總重量超過 3000 噸,其攜帶的燃料高達2726噸,而有效載荷才45噸。這種火箭起飛每秒鐘需要消耗燃料13.1噸。這就說明火箭升空起飛重量主要是攜帶的燃料,如果按照題目所要求的那種飛法,需要的燃料將是天文數字,怎麼可能做到呢?


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