概述

　　人類的航天活動，并不是一味地要逃離地球。特別是當前的應(yīng)用航天器，需要繞地球飛行，即讓航天器作圓周運動。眾所周知，必須始終有一個力作用在航天器上。其大小等于該航天器運行線速度的平方乘以其質(zhì)量再除以公轉(zhuǎn)半徑，即F=mv^2/R.在這里，正好可以利用地球的引力。因為地球?qū)ξ矬w的引力，正好與物體作曲線運動的離心力方向相反。 經(jīng)過計算，在地面上，物體的運動速度達到7.9千米/秒時，它所產(chǎn)生的離心力，正好與地球?qū)λ囊ο嗟?。這個速度被稱為環(huán)繞速度。

　　宇宙速度是物體從地球出發(fā)，在天體的重力場中運動，四個較有代表性的初始速度的統(tǒng)稱。 航天器按其任務(wù)的不同，需要達到這四個宇宙速度的其中一個。

第一宇宙速度

　　 （又稱環(huán)繞速度）：是指物體緊貼地球表面作圓周運動的速度(也是人造地球衛(wèi)星的最小發(fā)射速度)。大小為7.9km/s ——計算方法是V=√(gR)， 即是 V= sqrt(gR) 　　(g是重力加速度，R是星球半徑)

第二宇宙速度

　?。ㄓ址Q脫離速度）：是指物體完全擺脫地球引力束縛，飛離地球的所需要的最小初始速度。大小為11.2km/s

第三宇宙速度

　　（又稱逃逸速度）：是指在地球上發(fā)射的物體擺脫太陽引力束縛，飛出太陽系所需的最小初始速度。其大小為16.7km/s。 　　環(huán)繞速度和逃逸速度也可應(yīng)用于其他天體。例如計算火星的環(huán)繞速度和逃逸速度，只需要把公式中的M,R,g換成火星的質(zhì)量、半徑、表面重力加速度即可。

第四宇宙速度

　　所謂第四宇宙速度，是指在地球上發(fā)射的物體擺脫銀河系引力束縛，飛出銀河系所需的最小初始速度，約為110-120km/s，指在銀河內(nèi)絕大部分地方所需要的航行速度。如充分利用太陽系圍繞銀心的轉(zhuǎn)速，最低航行速度可為82km/s。由于人類對銀河系所知甚少，這個數(shù)字還需要很久才能形成公論。指在銀河內(nèi)絕大部分地方所需要的脫離速度。目前根本無法得出第四宇宙速度，對于銀心的質(zhì)量以及半徑等無法取值。

工作原理

　　物體達到11.2千米/秒的運動速度時能擺脫地球引力的束縛。在擺脫地球束縛的過程中，在地球引力的作用下它并不是直線飛離地球，而是按拋物線飛行。脫離地球引力后在太陽引力 作用下繞太陽運行。若要擺脫太陽引力的束縛飛出太陽系，物體的運動速度必須達到16.7千米/秒。那時將按雙曲線軌跡飛離地球，而相對太陽來說它將沿拋物線飛離太陽。人類的航天活動，并不是一味地要逃離地球。特別是當前的應(yīng)用航天器，需要繞地球飛行，即讓航天器作圓周運動。我們知道，必須始終有一個與離心力大小相等，方向相反的力作用在航天器上。在這里，我們正好可以利用地球的引力。因為地球?qū)ξ矬w的引力，正好與物體 作曲線運動的離心力方向相反。經(jīng)過計算，在地面上，物體的運動速度達到7.9千米/秒時，。這個速度被稱為環(huán)繞速度。 　　上述使物體繞地球作圓周運動的速度被稱為第一宇宙速度；擺脫地球引力束縛，飛離地球的 速度叫第二宇宙速度；而擺脫太陽引力束縛，飛出太陽系的速度叫第三宇宙速度。根據(jù)萬有引力定律，兩個物體之間引力的大小與它們的距離平方成反比。因此，物體離地球中心的距離不同，其環(huán)繞速度(第一宇宙速度)和脫離速度(第二宇宙速度)有不同的數(shù)值。 　　第一宇宙速度是7.9千米/秒，這樣可以繞軌道飛行，第二宇宙速度是11.2千米/秒，可以沖出地球的束縛，第三宇宙速度是16.7千米/秒，這樣可以飛出太陽系。

第一宇宙速度

　　 7.9千米/秒（衛(wèi)星繞地球做近似圓周運動的最大環(huán)繞速度） 　　在地面上向遠處發(fā)射炮彈，炮彈速度越高飛行距離越遠，當炮彈的速度達到“7.9千米/秒”時，炮彈不再落回地面（不考慮大氣作用），而環(huán)繞地球作圓周飛行，這就是第一宇宙速度。 　　第一宇宙速度也是人造衛(wèi)星在地面附近繞地球做“勻速圓周運動”所必須具有的速度。但是隨著高度的增加，地球引力下降，環(huán)繞地球飛行所需要的飛行速度也降低，所有航天器都是在距地面很高的大氣層外飛行，所以它們的飛行速度都比第一宇宙速度低。 　　第一宇宙速度的計算公式是： 　　V1=√(gR)(m/s)，其中g(shù)=9.8(m/s^2)，R=6.4×10^6（m)。 　　需要強調(diào)的是，第一宇宙速度有兩重意義。它既是發(fā)射航天器時的最小初速度，也是航天器在繞地球飛行（圓周運動）時的最大環(huán)繞速度。

第二宇宙速度

　　11.2千米/秒 （飛離地球進入環(huán)繞太陽運行軌道的最小速度） 　　 當物體（航天器）飛行速度達到11.2千米/秒時，就可以擺脫地球引力的束縛，飛離地球進入環(huán)繞太陽運行的軌道，不再繞地球運行。這個脫離地球引力的最小速度就是第二宇宙速度。各種行星探測器的起始飛行速度都高于第二宇宙速度。 　　第二宇宙速度（V2） 當航天器超過第一宇宙速度V1達到一定值時，它就會脫離地球的引力場而成為圍繞太陽運行的人造行星，這個速度就叫做第二宇宙速度，亦稱脫離速度。按照力學理論可以計算出第二宇宙速度V2=11．2公里/秒。由于月球還未超出地球引力的范圍，故從地面發(fā)射探月航天器，其初始速度不小于10．848公里/秒即可。 　　假設(shè)在地球上將一顆質(zhì)量為m的衛(wèi)星發(fā)射到繞太陽運動的軌道需要的最小發(fā)射速度為V； 　　此時衛(wèi)星繞太陽運動可認為是不受地球引力，距離地球無窮遠； 　　認為無窮遠處是引力勢能0勢面，并且發(fā)射速度是最小速度，則衛(wèi)星剛好可以到達無窮遠處。 　　由動能定理得 　　1/2*mV^2-GMm/r=0; 　　解得V=√(2GM/r) 　　這個值正好是第一宇宙速度的√2倍。

第三宇宙速度

　　16.7千米/秒 　　從地球起飛的航天器飛行速度達到16.7千米/秒時，就可以擺脫太陽系引力的束縛，脫離太陽系進入更廣漠的宇宙空間。這個從地球起飛脫離太陽系的最低飛行速度就是第三宇宙速度。 　　如果想使物體掙脫太陽系引力的束縛，飛到太陽系以外的宇宙空間去，必須使它的速度等于或者大于16.7千米/秒，即第三宇宙速度。 　　第三宇宙速度（V3） 從地球表面發(fā)射航天器，飛出太陽系，到浩瀚的銀河系中漫游所需要的最小速度，就叫做第三宇宙速度。按照力學理論可以計算出第三宇宙速度V3=16．7千米/秒。需要注意的是，這是選擇航天器入軌速度與地球公轉(zhuǎn)速度方向一致時計算出的V3值；如果方向不一致，所需速度就要大于16．7千米/秒了?？梢哉f，航天器的速度是掙脫地球乃至太陽引力的唯一要素，目前只有火箭才能突破該宇宙速度。 　　有些人問：地球的速度已經(jīng)超過第三宇宙速度了為什么沒逃出太陽系？ 　　陳偉粵答：三個宇宙速度都是指對地球球心的，第一宇宙速度7.9千米/秒，叫環(huán)繞速度，真正發(fā)射航天器時，只要有7.5千米/秒就夠了，條件是在赤道上由西向東發(fā)射，借助約400m/s的地球自轉(zhuǎn)速度就行了。第二宇宙速度是11.2km/s，叫脫離速度，達到它就可以離開地球。第三宇宙速度是16.7km/s，叫逃逸速度，再借助地球公轉(zhuǎn)速度也就是說16.3km/s就可以逃出太陽系了。

第四宇宙速度

　　約110~120千米/秒 　　是指在地球上發(fā)射的物體擺脫銀河系引力束縛，飛出銀河系所需的最小初始速度。但由于人們尚未知道銀河系的準確大小與質(zhì)量，因此只能粗略估算，其數(shù)值在110~120千米/秒之間。而實際上，仍然沒有航天器能夠達到這個速度。 　　而事實上，宇宙速度的概念是發(fā)射航天器的初速度，也就是一次性給予航天器所需要的所有動能。如果不這樣，比如說地球上發(fā)射火箭，火箭的初速度無法達到第一宇宙速度，但是只要它有不斷的動力，也可以進入外太空。 　　物體達到11.2千米/秒的運動速度時能擺脫地球引力的束縛。在擺脫地球束縛的過程中，在 地球引力的作用下它并不是直線飛離地球，而是按拋物線飛行。脫離地球引力后在太陽引力作用下繞太陽運行。若要擺脫太陽引力的束縛飛出太陽系，物體的運動速度必須達到16.7千米/秒。那時將按雙曲線軌跡飛離地球，而相對太陽來說它將沿拋物線飛離太陽。 　　人類的航天活動，并不是一味地要逃離地球。特別是當前的應(yīng)用航天器，需要繞地球飛行，即讓航天器作圓周運動。我們知道，必須始終有一個能夠維持航天器圓周運動的向心力作用在航天器上。在這里，我們正好可以利用地球的引力。因為地球?qū)ξ矬w的引力，正好與物體作曲線運動所需要的向心力方向相同。經(jīng)過計算，在地面上，物體的運動速度達到7.9千米/秒時，它做圓周運動需要的向心力，恰好與地球?qū)λ囊ο嗟?。這個速度被稱為環(huán)繞速度。 　　上述使物體繞地球作圓周運動需要的速度被稱為第一宇宙速度（環(huán)繞速度）；擺脫地球引力束縛，飛離地球需要的速度叫第二宇宙速度（逃離速度）；而擺脫太陽引力束縛，飛出太陽系的速度叫第三宇宙速度（逃逸速度）。根據(jù)萬有引力定律，兩個物體之間引力的大小與它們的距離平方成反比。因此，物體離地球中心的距離不同，其環(huán)繞速度(第一宇宙速度和脫離速度(第二宇宙速度)有不同的數(shù)值。

第五宇宙速度

　　約1500--2250千米/秒 　　第五宇宙速度指的是航天器從地球發(fā)射，飛出本星系群的最小速度大小，由于本星系群的半徑、質(zhì)量均未有足夠精確的數(shù)據(jù)，所以無法估計數(shù)據(jù)大小。目前科學家估計大概有500--1000萬光年，照這樣算，應(yīng)該需要1500--2250km/S的速度才能飛離，但這個速度以人類目前的科學發(fā)展水平，至少要幾百年才能達到，所以現(xiàn)在只是