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航天活动与宇宙速度

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人类的航天活动,特别是当前的应用航天器,需要绕地球飞行,即让航天器作圆周运动。

众所周知,必须始终有一个力作用在航天器上,其大小等于该航天器运行线速度的平方乘以其质量再除以公转半径,即向心力F=mv^2/R。

在这里,正好可以利用地球的引力。

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宇宙速度是物体从地球出发,在 天体的重力场中运动,四个较有代表性的初始速度的统称。 航天器按其任务的不同,需要达到这四个宇宙速度的其中一个。

第一宇宙速度(又称环绕速度):是指物体紧贴地球表面作圆周运动的速度(也是人造地球卫星的最小发射速度)。大小为7.9km/s ——计算方法是V=根号下gR (g是重力加速度,R是星球半径)

第二宇宙速度(又称脱离速度):是指物体完全摆脱地球引力束缚,飞离地球的所需要的最小初始速度。大小为11.2km/s;

第三宇宙速度(又称逃逸速度):是指在地球上发射的物体摆脱太阳引力束缚,飞出太阳系所需的最小初始速度。其大小为16.7km/s。

环绕速度和逃逸速度也可应用于其他天体。例如计算火星的环绕速度和逃逸速度,只需要把公式中的M,R,g换成火星的质量、半径、表面重力加速度即可。

物体达到11.2千米/秒的运动速度时能摆脱地球引力的束缚。在摆脱地球束缚的过程中,在地球引力的作用下它并不是直线飞离地球,而是按抛物线飞行。脱离地球引力后在太阳引力 作用下绕太阳运行。若要摆脱太阳引力的束缚飞出太阳系,物体的运动速度必须达到16.7千米/秒。那时将按双曲线轨迹飞离地球,而相对太阳来说它将沿抛物线飞离太阳。人类的航天活动,并不是一味地要逃离地球。特别是当前的应用航天器,需要绕地球飞行,即让航天器作圆周运动。我们知道,必须始终有一个与离心力大小相等,方向相反的力作用 在航天器上。在这里,我们正好可以利用地球的引力。因为地球对物体的引力,正好与物体 作曲线运动的离心力方向相反。经过计算,在地面上,物体的运动速度达到7.9千米/秒时,它所产生的离心力,下好与地球对它的引力相等。这个速度被称为环绕速度。

上述使物体绕地球作圆周运动的速度被称为第一宇宙速度;摆脱地球引力束缚,飞离地球速度叫第二宇宙速度;而摆脱太阳引力束缚,飞出太阳系的速度叫第三宇宙速度。根据万有引力定律,两个物体之间引力的大小与它们的距离平方成反比。

物体离地球中心的距离不同,其环绕速度(第一宇宙速度)和脱离速度(第二宇宙速度)有不同的数值。

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