本文來自微信公眾號：孔夫子百科，作者：newtonian6

提及宇宙速度，不少人都能侃侃而談：這可是中學(xué)物理的基礎(chǔ)內(nèi)容呀。第一宇宙速度是7.9km/s，達到它就能繞地球旋轉(zhuǎn)而不會掉落；第二宇宙速度為11.2km/s，能擺脫地球引力進入宇宙空間；第三宇宙速度是16.7km/s，可飛出太陽系。道理簡單明了，情況大致如此。

上學(xué)時，書本里的定義讓我覺得，要實現(xiàn)環(huán)繞或逃離，必須達到這些速度。直到大學(xué)畢業(yè)那年，導(dǎo)師帶我第一次坐飛機（沒錯，我大學(xué)畢業(yè)才首次坐飛機）從北京飛往昆明做畢業(yè)設(shè)計項目。在飛機上，望著窗外的白云，我突然疑惑：不是說最低要第一宇宙速度才能繞地球運動嗎？那可是每秒7.9千米，可飛機速度慢多了，每秒僅兩三百米，不也在繞地球飛行嗎？這個看似愚蠢的問題，我從北京一路想到昆明，最終總算想明白了。

要解答這個問題，得從第一宇宙速度的由來談起。牛頓曾用一個思想實驗解釋天體運行軌道：假設(shè)在山上向前扔石頭（牛頓說的是炮彈），石頭一邊前進，一邊向地心掉落，最終軌跡呈拋物線。當(dāng)石頭速度足夠快時，不考慮空氣阻力，它向地心掉落的高度會被地球圓弧表面抵消，從而形成繞地球旋轉(zhuǎn)的圓周運動軌跡。

這個巧妙的思想實驗隱含一個條件：石頭出手后處于自由運動狀態(tài)，除引力外不受其他外力。顯然，飛機不滿足這一條件，它除受地球引力外，還受發(fā)動機推力、空氣阻力以及機翼升力。正是升力托舉著飛機，使其能以遠(yuǎn)低于7.9km/s的速度繞地球表面飛行。

同理，我對第二、第三宇宙速度也曾有不完整的理解，認(rèn)為航天器必須達到這些速度才能脫離地球或太陽引力范圍。實際上，這同樣隱含一個前提：航天器從地球附近出發(fā)后僅受引力作用。若有發(fā)動機持續(xù)推動火箭向地心反方向前進，哪怕速度如走路般慢，只要時間足夠長，火箭就能到達離地球足夠遠(yuǎn)的地方，此時其動能會大于在無窮遠(yuǎn)處的勢能，即便關(guān)閉發(fā)動機，也能飛入遙遠(yuǎn)宇宙空間。

發(fā)射航天器時，不可能讓火箭一直向上推，所以需在一定時間內(nèi)盡快將火箭加速到對應(yīng)宇宙速度。此時關(guān)閉發(fā)動機，航天器在引力作用下，也能按預(yù)定軌道繞地球運動或飛入深空，不會掉回地球。

對于旅行者1號、2號，卡西尼號，新視野號等深空探測航天器，需達到第二甚至第三宇宙速度。若僅靠火箭加速到如此高速，會消耗大量燃料，需要巨大火箭，甚至難以實現(xiàn)。這種情況下，通常先用火箭以較低速度發(fā)射航天器，再利用大行星（木星尤其適合）的引力彈弓效應(yīng)加速，以獲得所需高速。