中国航天小短文

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，希望能够帮助到您 。

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火箭: 宇航时代的开拓者

信息发布时间：2007-01-08

一. 引言

这个 “星际旅行漫谈” 系列原本是为了讨论未来的星际旅行技术而写的。 不过今天却要来讨论一种比较 “土
” 的技术： 火箭
。 之所以讨论火箭， 主要的原因有两个： 一个是因为我国的第一艘载人飞船 “神舟五号” 即将发射 ， 在这个中国宇航员即将叩开星际旅行之门的时刻
， 我们这个系列不应该缺席， 更不应该让火箭这位宇航时代的开拓者在这个系列中缺席。 另一个是因为火箭虽然是一种不那么 “未来 ” 的技术 ， 但我觉得
， 在我和读者们能够看得到的将来， 承载人类星际旅行之梦的技术很有可能仍然是火箭这匹识途的老马 。

二. 宇宙速度

火箭理论的先驱者 、 俄国科学家齐奥尔科夫斯基 (K. E. Tsiolkovsky 1857-1935) 有一句名言： “地球是人类的摇篮
。 但人类不会永远躺在摇篮里 ， 他们会不断探索新的天体和空间。 人类首先将小心翼翼地穿过大气层
， 然后再去征服太阳周围的整个空间
” 。

星际旅行是一条漫长的征途， 人类迄今在这条征途上走过的路程几乎恰好就是 “征服太阳周围的整个空间” ， 而在这征途上的第一站也正是 “穿过大气层 ”[注一]
。

在人类发射的航天器中数量最多的就是那些刚刚 “穿过大气层
” 的航天器 - 人造地球卫星
， 迄今已经发射了五千多颗。 其中第一颗是 46 年前 (1957 年 10 月 4 日) 在前苏联的拜克努尔发射场发射升空的 。

从运动学上讲， 这些人造地球卫星的飞行轨迹与我们随手抛掷的一块石头的飞行轨迹是属于同一类型的
。 我们抛掷石头时 ， 抛掷得越快， 石头飞得就越远
， 石头飞行轨迹的弯曲程度也就越小。 倘若石头抛掷得如此之快， 以致于飞行轨迹的弯曲程度与地球表面的弯曲程度相同 ， 石头就永远也不会落到地面了[注二] 。 这样的石头就变成了一颗环绕地球运转的小卫星
。 一般来说
， 石头也好， 卫星也罢 ， 它们的飞行轨迹都是椭圆[注三]。 对于石头来说
， 如果它飞得不够快， 那它很快就会落到地面 ， 从而我们只能看到椭圆轨道的一个极小的部分
， 那样的一个部分近似于一段抛物线 。

那么一块石头要抛掷得多快才能不落回地面呢？ 或者说一枚火箭要能达到什么样的速度才能发射人造地球卫星呢？ 这个问题的答案很简单， 尤其是对于圆轨道的情形。 在圆轨道情形下 ， 假如轨道的半径为 r
， 卫星的飞行速度为 v[注四]， 则维持卫星飞行所需的向心力为 F=mv2/r (m 为卫星质量) ， 这一向心力来源于地球对卫星的引力， 其大小为 F=GMm/r2 (M 为地球质量)
。 由此可以得到 v=(GM/r)1/2。 假如卫星轨道很低
， 则 r 约等于地球半径 R， 由此可得 v≈7.9 公里/秒 。 这个速度被称为 “第一宇宙速度” ， 它是人类迈向星空所要达到的最低速度
。

但是细心的读者可能会从上面的计算结果中提出一个问题
， 那就是 v=(GM/r)1/2 随着轨道半径的增加反而减小， 也就是说轨道越高的卫星 ， 飞行的速度就越小。 但是直觉上
， 把东西扔得越高难道不应该越困难吗？ 再说， 倘若把卫星发射得越高所需的速度就越小 ， 那么 v≈7.9 公里/秒 这个 “第一宇宙速度 ” 岂不就不再是发射人造地球卫星所要达到的最低速度了？ 这些问题的出现表明对于发射卫星来说
， 卫星的飞行速度并不是所需考虑的唯一因素 。 那么， 还有什么因素需要考虑呢？ 答案是很多 ， 其中最重要的一个是引力势能
。 事实上描述发射卫星困难程度的更有价值的物理量是发射所需的能量
， 也就是把卫星从地面上的静止状态送到轨道上的运动状态所需提供的能量。 因此我们改从这个角度来分析 。 在地面上， 卫星的动能为零[注五] ， 势能为 -GMm/R (R 为地球半径)， 总能量为 -GMm/R； 在轨道上
， 卫星的动能为 mv2/2=GMm/2r (这里运用了 v=(GM/r)1/2)， 势能为 -GMm/r ， 总能量为 -GMm/2r
。 因此发射卫星所需的能量为 GMm/R - GMm/2r。 这一能量相当于把卫星加速到 v=[GM(2/R - 1/r)]1/2 所需的能量 。 由于 r>R
， 这一速度显然大于 v=(GM/R)1/2≈7.9 公里/秒 (而且也符合轨道越高发射所需能量越多这一 “直觉
”)
。 这表明 “第一宇宙速度” 的确是发射人造地球卫星所需的最低速度， 只不过它表示的并不是飞行速度 ， 而是火箭提供给卫星的能量所对应的等价速度。 在发射卫星的全过程中
， 火箭本身的飞行速度完全可以在任何时刻都低于这一速度 。

上面的分析是针对圆轨道的， 那么椭圆轨道的情况如何呢？ 在椭圆轨道上 ， 卫星的飞行速度不是恒定的
， 分析起来要困难一些， 但结果却同样很简单 ， 卫星在椭圆轨道上的总能量仍然为 -GMm/2r
， 只不过这里 r 表示所谓的 “半长径 ”， 即椭圆轨道长轴长度的一半。 因此上面关于 “第一宇宙速度
” 是发射人造地球卫星所需的最小 (等价) 速度的结论对于椭圆轨道也成立 ， 是一个普遍的结论
。

在人造地球卫星之后， 下一步当然就是要把航天器发射到更远的地方 - 比方说月球 - 上去。 那么为了实现这一步火箭需要达到的速度又是多少呢？ 这个问题的答案也很简单
， 不过在回答之前先要对 “更远的地方” 做一个界定 。 所谓 “更远的地方 ”， 指的是离地心的距离远比地球半径 (约为 6.4×103 公里) 大 ， 但又远比地球与太阳之间的距离 (约为 1.5×108 公里) 小
。 之所以要有后面这一限制
， 是因为在讨论中我们要忽略太阳的引力场[注六]。 由于航天器离地心的距离远比地球半径大， 因此与发射前在地面上的引力势能相比 ， 它在发射后的引力势能可以被忽略； 另一方面
， 由于航天器不再做环绕地球的运动， 其动能也就不再受到限制 ， 最小可能的动能为零 。 因此发射后航天器的最小总能量近似为零
。 由于发射前航天器的总能量为 -GMm/R
， 因此需要由火箭提供给航天器的能量为 GMm/R， 相当于把航天器加速到 v=(2GM/R)1/2≈11.2 公里/秒 的速度。 这个速度被称为 “第二宇宙速度” ， 有时也被称为摆脱地球引力束缚所需的速度
， 它也是一个等价速度 。

倘若我们想把航天器发射得更远些， 比方说发射到太阳系之外 - 就象本系列的 序言 中提到的 “先驱者号
” 探测器一样 - 火箭需要达到的速度又是多少呢？ 这个问题比前两个问题要复杂些 ， 因为其中涉及的有地球与太阳两个星球的引力场， 以及地球本身的运动
。 从太阳引力场的角度看
， 这个问题所问的是在地球轨道所在处、 相对于太阳的 “第二宇宙速度”， 即： v=(2GMS/RS-E)1/2 (其中 MS 为太阳质量 ， RS-E 为太阳与地球之间的距离)。 这一速度大约为 42.1 公里/秒 。 相对与第一
、 第二宇宙速度来说
， 这是一个很大的速度
。 但是幸运的是， 我们的地球本身就是一艘巨大的 “宇宙飞船 ” ， 它环绕太阳飞行的速度大约是 29.8 公里/秒。 因此如果航天器是沿着地球轨道运动的方向发射的
， 那么在远离地球时它相对于地球只要有 v’ = 12.3 公里/秒 的速度就行了 。 在地心参照系中， 发射这样的一个航天器所需要的能量为 mv’2/2 + GMm/R (其中后一项为克服地球引力场所需要的能量 ， 即把航天器加速到第二宇宙速度所需要的能量)
， 相当于把航天器加速到 v≈16.7 公里/秒 的速度。 这一速度被称为 “第三宇宙速度
”， 有时也被称为摆脱太阳引力束缚所需要的速度 ， 它同样也是一个等价速度
， 而且还是针对在地球上沿地球轨道运动方向发射航天器这一特殊情形的
。

以上三个 “宇宙速度” 就是迄今为止火箭技术所跨越的三个阶梯。 在关于 “第三宇宙速度 ” 的讨论中我们看到， 行星本身的轨道运动速度对于把航天器发射到遥远的行星际及恒星际空间是很有帮助的 。 这种帮助不仅在发射时可以大大减少发射所需的能量 ， 而且对于飞行中的航天器来说， 倘若巧妙地安排航线
， 也可以起到 “借力飞行
” 的作用， 比如 “旅行者号” 就曾利用木星的引力场及轨道运动速度来加速
。

三. 齐奥尔科夫斯基公式

在上节中我们讨论了为发射不同类型的航天器 ， 火箭所要达到的速度。 与火箭之前的各种技术相比
， 这种速度是很高的 。 在早期的科幻小说中， 人们曾设想过用所谓的 “超级大炮 ” 来发射载人航天器
。 其中最著名的是法国科幻小说家凡尔纳 (J. G. Verne 1828-1905) 的作品。 凡尔纳在他的小说 ?从地球到月球? (?From the Earth to the Moon? 1866) 中曾经让三位宇航员挤在一枚与 “神舟号
” 的轨道舱差不多大的特制的炮弹中 ， 用一门炮管长达 900 英尺 (约 300 米) 的超级大炮发射到月球上去 (最终没能击中月球
， 而成为了环绕月球运动的卫星) 。 但是凡尔纳虽然有非凡的想象力， 却缺乏必要的物理学及生理学知识
。 他所设想的超级大炮若真的在 300 米的炮管内把 “炮弹” 加速到 11.2 公里/秒 (第二宇宙速度) ， 则 “炮弹 ” 的平均加速度必须达到 200000 米/秒2 以上
， 也就是 20000g (g≈9.8米/秒2 为地球表面的引力加速度) 以上。 但是脆弱的人类肌体所能承受的最大加速度只有不到 10g 。 这两者的差距无疑是灾难性的， 因此凡尔纳的炮弹虽然制作精致 ， 乘坐起来却一点也不会舒适
。 不仅不会舒适
， 且有性命之虞， 事实上英勇的宇航员们在 “炮弹
” 出膛时早就变成了肉饼 ， 炮弹最后有没有击中月球对他们都已经不再重要了。 倘若炮弹真的击中月球的话， 其着陆方式属于所谓的 “硬着陆”
， 就象陨石撞击地球一样， 着陆时的速度差不多就是月球上的第二宇宙速度 (2.4 公里/秒) ， 相当于在地球上从比珠穆朗玛峰还高 30 倍的山峰上摔到地面
， 这无异是要把肉饼进一步摔成肉浆 。

因此对于发射航天器 (尤其是载人航天器) 来说， 很重要的一点就是航天器的加速过程必须发生在一个较长的时间里 (减速过程也一样)。 但是加速过程持续的时间越长 ， 在加速过程中航天器所飞行的距离也就越大
。 以凡尔纳的超级大炮为例
， 倘若炮弹的加速度小于 10g， 则加速过程必须持续 100 秒以上 ， 在这段时间内炮弹飞行的距离在 500 公里 以上。 炮弹的加速度越小
， 这段距离就越大 。 由于炮弹本身没有动力， 因此这段距离必须都在炮管内
。 这就是说 ， 凡尔纳超级大炮的炮管起码要有 500 公里长！ 建造这样规模的大炮显然是很困难的
， 别说凡尔纳时代的技术无法办到， 即使在今天也是申请不到经费的。 因此航天器的发射必须另辟奚径[注七] 。 火箭便是一种与凡尔纳大炮完全不同但却非常有效的技术手段
。

火箭是一种利用反冲现象推进的飞行器 ， 即通过向与飞行相反的方向喷射物质而前进的飞行器。 从物理学上讲这种飞行器所利用的是动量守恒定律 。 下面我们就来简单地分析一下火箭的飞行动力学
。

假设火箭单位时间内喷射的物质质量为 -dm/dt (m 为火箭质量， dm/dt<0)
， 喷射物相对于火箭的速度大小为 u (方向与火箭飞行方向相反)， 则在时间间隔 dt 内 ， 火箭的速度会因为喷射而得到一个增量 dv。 依据动量守恒定律
， 在火箭参照系中我们得到：

mdv = -udm

对上式积分并注意到火箭的初速度为零便可得：

v = u ln(mi/mf)

其中 mi 与 mf 分别为火箭的初始质量及推进过程完成后的质量 (显然 mi>mf) 。 这一公式被称为齐奥尔科夫斯基公式， 它是由上文提到的俄国科学家齐奥尔科夫斯基发现的 ， 那是在 1897 年
， 那时候的天空还是一片宁静， 连飞机都还没有上天
。 齐奥尔科夫斯基因为在航天领域中的一系列卓越的开创性工作而被许多人尊称为 “航天之父 ”。

从齐奥尔科夫斯基公式中我们可以看到 ， 火箭所能达到的速度可以远远地高于喷射物的喷射速度 。 这一点是很重要的
， 因为这意味着我们可以通过一种较低的喷射速度来达到航天器所需要的高速度， 这在技术上远比直接达到高速度容易得多。 从某种意义上讲 ， 凡尔纳的超级大炮之所以没能成为一种成功的载人航天器的发射装置
， 正是因为它试图直接达到航天器所需要的高速度
。

但是火箭虽然能够达到远比喷射物喷射速度更高的速度， 为此所付出的代价却也不小 ， 火箭所要达到的速度越高， 它的有效载荷就越小。 这一点从齐奥尔科夫斯基公式中可以很容易地看到 。 我们可以把公式改写为： mf = mi exp(-v/u)
， 由此可见， 火箭的飞行速度 v 越高 ， 它的有效载荷 (mf 中的一部分) 也就越小
。 假如我们想用 v=1 公里/秒 的喷射速度来达到第一宇宙速度 (即将有效载荷送入近地轨道)
， 则 mf/mi≈0.00037， 也就是说一枚发射质量为一千吨的火箭只能让几百公斤的有效载荷达到第一宇宙速度 ， 这样的效率显然是太低下了。

为了克服这一困难
， 齐奥尔科夫斯基提出了多级火箭的设想 。 多级火箭的好处是在每一级的燃料用尽后可以把该级的外壳抛弃， 从而减轻下一级所负载的质量
。 在理论上 ， 火箭的级数越多
， 运载效率就越高， 不过在实际上 ， 超过三级的火箭其技术复杂性的增加超过了运载效率方面的优势
， 运用起来得不偿失。 因此目前我们使用的火箭大都是三级火箭 。 即便使用多级火箭， 航天飞行的消耗仍是惊人的 ， 通常一枚发射质量为几百吨的火箭只能将几吨的有效载荷送入近地轨道 (比如发射 “神舟号” 飞船的长征二号 F 型火箭发射质量约为 480 吨， 近地轨道的有效载荷约为 8 吨)
。

四. 接近光速

前面说过
， 这个星际旅行系列主要是为了讨论未来的星际旅行技术而写的， 因此在这里我们也要把目光放远些 ， 看看上节讨论的火箭动力学在火箭速度持续提高
， 乃至接近光速时会如何。 到目前为止人类发射的航天器中飞得最远的已经飞到了冥王星轨道之外 。 冥王星自 1930 年被发现以来， 就一直是太阳系中已知的离太阳最远的行星
。 在那之外是一片冰冷广袤的空间。 人类要想走得更远 ， 必须要有更快的航天器 。 在齐奥尔科夫斯基公式中火箭的速度是没有上限的
， 通过提高喷射物的喷射速度， 通过增加火箭质量中喷射物所占的比例 ， 火箭在原则上可以达到任意高的速度。 这一点显然是错误的
， 因为物体的运动速度不可能超过光速， 这是相对论的要求[注八]
。因此当火箭运动速度接近光速时 ， 齐奥尔科夫斯基公式不再成立。 那么有没有一个比齐奥尔科夫斯基公式更普遍的公式
， 在火箭运动速度接近光速时仍成立呢？ 这就是本节所要讨论的问题 。

首先， 简单的答案是： 这样的公式是存在的
。 事实上 ， 这样的公式不仅存在， 而且并不复杂
， 因此我们干脆在这里把它推导出来， 以满足大家的好奇心。 这一推导所依据的基本原理仍然是动量守恒定律 ， 我们也仍然在火箭参照系中计算火箭速度的增量 。 这里要说明的是
， 所谓火箭参照系， 指的是所考虑的瞬间与火箭具有同样运动速度的惯性参照系 (因此在不同的时刻 ， 火箭参照系是不同的)
。 我们用带撇的符号表示火箭参照系中的物理量 (这是讨论相对论问题的惯例)。 与上一节的讨论相仿
， 假设火箭单位时间内喷射的物质质量为 -dm’/dt’ (m’ 为火箭质量， dm’/dt’<0) ， 喷射物相对于火箭的速度大小为 u (方向与火箭飞行方向相反)
， 则在一个时间间隔 dt’ 内， 火箭的速度会因为喷射而得到一个增量 dv’ 。 依据动量守恒定律 ， 在火箭参照系中我们得到：

m’dv’ = -udm’

这里 dm’ 为喷射物的相对论质量 (运动质量)
， 这一公式对于 u 接近甚至等于光速的情形也成立[注九]
。在非相对论的情形下， 上面所有带撇的物理量都等于静止参照系 (地心参照系) 中的物理量 ， 因此对上述公式可以直接积分， 这种积分的含义是对上式中的速度增量进行累加。 但在相对论中
， 速度合成的规律是非线性的， 把这些在不同时刻 - 因而在不同参照系中 - 计算出的速度增量直接相加是没有意义的 ， 因此上述速度增量必须先换算到静止参照系中才能积分 。

运用相对论的速度合成公式
， dv’ 所对应的静止系中的速度增量为：

dv = (dv’ + v)/(1 + vdv’/c2) - v = (1 - v2/c2)dv’

将这一结果与在火箭参照系中所得的关于 dv’ 的公式联立可得：

dv / (1 - v2/c2) = -u dm’/m’

对这一公式积分， 并进行简单处理 ， 便得：

v = c tanh[(u/c) ln(mi/mf)]

其中 mi 与 mf 是在火箭参照系中测量的
。这就是齐奥尔科夫斯基公式在相对论条件下的推广。 对于低速运动的火箭
， (u/c) ln(mi/mf) << 1， 因而 tanh[(u/c) ln(mi/mf)]≈(u/c) ln(mi/mf) ， 上述公式退化为齐奥尔科夫斯基公式 。 由于对于任意 x
， tanh(x) < 1， 因此由上述公式给出的速度在任何情况下都不会超过光速。

上述公式的一个特例是 u=c 的情形 ， 即喷射物为光子 (或其它无质量粒子) 的情形
。 这种火箭常常出现在科幻小说中
， 通常是以物质与反物质的湮灭作为动力来源。 对于这种情形， 上述公式简化为： v = c(mi2 - mf2)/(mi2 + mf2) 。 如果将火箭 90% 的物质转化为能量作为动力 ， 火箭的飞行速度可以达到光速的 99%
。

五. 飞向深空

宇宙的浩瀚是星际旅行家们面临的最基本的事实。 即使能够达到接近光速的速度， 飞越恒星际空间所需的时间仍然是极其漫长的 。 从太阳系出发
， 到银河系中心大约要飞 3 万年， 到仙女座星云 (M31 - 河外星系) 大约要飞 220 万年 ， 到室女座星系团 (Virgo - 河外星系团) 大约要飞 6000 万年 ... ... 相对于人类弹指一瞬的短暂生命来说这些时间显然是太漫长了
。 但是且慢悲观
， 因为我们还有一个因素可以依赖， 那就是相对论的时钟延缓效应。 在相对论中运动参照系中的时间流逝由所谓的 “本征时间
” 来表示 ， 它与静止参照系中的时间之间的关系为：

τ = ∫ (1 - v2/c2)1/2 dt

把这个公式用到火箭参照系中
， τ 就是宇航员所感受到的时间流逝 。 很显然， 火箭的速度越接近光速 ， 宇航员所感受到的时间流逝也就越缓慢
。 考虑到这个因素
， 宇航员是不是有可能在自己的有生之年到银河系中心、 仙女座星云 、 甚至室女座星系团去旅行呢？ 下面我们就来计算一下。

我们考虑一个非常简单的情形， 即火箭始终处于匀加速过程中 。 当然这个匀加速度是在火箭参照系中测量的
。 为了让宇航员有宾至如归的感觉 ， 我们把加速度选为与地球表面的重力加速度一样
， 即 g。 用数学语言表示：

d2x’/dt’2 = g

把这一加速度变换到静止参照系 (地心参照系) 中可得：

d2x/dt2 = (1 - v2/c2)3/2g

由此积分可得：

x = (c2/g) [(1 + g2t2/c2)1/2 - 1]

只要加速的时间足够长 (gt>>c)， 上式可以近似为 x≈ct 。 这表明在地心参照系中 ， 经过长时间加速后飞船基本上是以光速飞行的。 但是我们感兴趣的是宇航员所经历的时间， 即 “本征时间” τ
， 这是很容易利用上式 - 即 τ 的定义 - 计算出的， 结果为：

τ = (c/g) sinh-1(gt/c)

我们可以从 τ 和 x 的表达式中消去 t ， 由此得到：

τ = (c/g) sinh-1{[(1 + gx/c2)2 - 1]1/2}

如果 x<<c2/g≈1 光年
， 即飞行距离远小于一光年， 上式可以近似为： τ≈(2x/g)1/2 ， 这正是我们熟悉的非相对论匀加速运动的公式
。 如果 x>>c2/g≈1 光年
， 即飞行距离远大于一光年， 上式可以近似为： τ≈(c/g) ln(2gx/c2) ， 下面我们只考虑这种情形。 考虑到到达一个目的地通常还需要考察研究
、 拍照留念
， 因此火箭不能一味加速， 而必须在航程的后半段进行减速 ， 从而旅行所需的时间应当修正为：

τ ≈ (2c/g) ln(gx/c2) ~ (2 年) ln(x/光年)

倘若旅行的目的地是银河系的中心
， x=30000 光年， 由上式可得 τ~ 20 年 。 这就是说 ， 在宇航员看来， 仅仅 20 年的时间
， 他就可以到达银河系的中心， 即使考虑到返航的时间 ， 前后也只要 40 年的时间
， 他就可以衣锦还乡了
。 这就是相对论的奇妙结论！ 只不过， 当他回到地球时 ， 地球上的日历已经翻过了整整 6 万年
， 他的孙子的孙子的孙子 ... ... (如果有的话) 都早已长眠于地下、 墓草久宿了。

运用同样的公式， 我们可以计算出到达仙女座星云所需的时间约为 29 年； 到达室女座星系团所需的时间约为 36 年； ... ... (在这里读者们对于对数函数增长之缓慢大概会有一个深刻的印象吧) 。 倘若一个宇航员 20 岁时坐上火箭出发 ， 如果他可以活到 80 岁
， 那么在他的有生之年 (不考虑返航 - 壮士一去兮不复返)， 他可以到达 10000000000000 (十万亿) 光年远的地方
。 这个距离已经远远远远地超过了可观测宇宙的线度 ， 因此这样的一位宇航员在有生之年可以到达宇宙中任意远的地方！

这样看来
， 星际旅行似乎并不象人们渲染的那样困难。 如果是那样， 我们也就不必费心讨论什么 Wormhole 和 Transporter 了 ， 直接坐上火箭遨游太空就是了 。 事情当然不会如此简单， 别忘了在我们的计算中火箭是一直在加速的 (否则的话
， 那个帮了我们大忙的对数函数就会消失)， 这样的火箭耗费的能量是惊人的 (究竟要耗费多少能量呢？ 运用本文给出的结果 ， 读者可以自己试着计算一下)
。 不过这种能量耗费所带来的工程学上的困难比起建造 Wormhole 所面临的困难来终究还是要小得多。 因此运用这样的火箭探索深空也许真的会成为未来星际旅行家们的选择 。唯一的遗憾是
， 他们只要走得稍远一点， 我们就没法分享他们的旅行见闻了
。

因为相对论只保佑他们 ， 不保佑我们。

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注释

[注一] 大气层与行星际空间是连续衔接的
， 所谓 “穿过大气层 ” 指的是穿过厚度在百余公里以内的稠密大气层 。

[注二] 当然， 这里我们要忽略空气阻力 ， 并且还要忽略地球表面的地形起伏。

[注三] 这里我们： 1. 用卫星一词指那些环绕地球运动的物体
， 这些物体的轨迹是局限在有限区域中的 (否则的话可能的轨迹还包括抛物线与双曲线)
。 2. 假定地球的引力场是一个严格的平方反比中心力场。 3. 忽略任何其它星体的引力场 。

[注四] 确切地讲是指速度的大小， 下文提到的 “向心力
” 、 “引力” 等也往往指的是大小 ， 请读者自行判断其含义
。

[注五] 这里参照系取在地心
， 我们忽略由地球自转所导致的卫星动能 (忽略所造成的误差小于 1%)。

[注六] 确切地讲是忽略太阳引力场中引力势能的变化 。 在这一限制之下其它行星的引力场也同样可以忽略
。

[注七] 类似于凡尔纳大炮那样的装置在表面引力较弱的星球 - 比如月球 - 上建造起来就会容易许多， 因此有人设想它可以成为未来月球基地的航天器发射装置。

[注八] 在理论与实验上都有迹象表明 ， 在特定的条件及特定的含义下， 运动速度超过光速不是绝对不可能的
， 但是这种超光速并不象许多科普爱好者所认为的那样， 是推翻了相对论 。 关于这一点 ， 以后有时间再作专门的介绍
。

[注九] 假如 u 等于光速
， 则 dm’ 理解为 dE’/c2 (E’ 为喷射物的能量)。

作者：卢昌海 二零零三年十月十四日写于纽约

责任编辑：中国航天工程咨询中心_侯丹

关于太空知识（小学生太空知识）

1
、太空是指地球大气层以外的宇宙空间，大气层空间以外的整个空间 。物理学家将大气分为5层：对流层（海平面至9千米）、平流层(9～45千米) 、中间层(45～80千米)
、热成层(电离层 ，80～400千米)和外大气层(电离层
，400千米以上)
。

2、地球上空的大气约有3/4在对流层内，97%在平流层以下 ，平流层的外缘是航空器依靠空气支持而飞行的最高限度。

3 、太空站又称为“空间站 ”
、“轨道站
”或“航天站”
，是可供多名宇航员巡航、长期工作和居住的载人航天器 。在太空站运行期间，宇航员的替换和物资设备的补充可以由载人飞船或航天飞机运送 ，物资设备也可由无人航天器运送。

4 、宇宙是有层次结构的、不断膨胀
、物质形态多样的、不断运动发展的天体系统
。

5 、行星
、小行星、彗星和流星体都围绕中心天体太阳运转
，构成太阳系。

6 、太阳系外也存在其他行星系统 。约2500亿颗类似太阳的恒星和星际物质构成更巨大的天体系统——银河系
。银河系的直径约10万光年，太阳位于银河系的一个旋臂中 ，距银心约2.6万光年。

7
、银河系外还有许多类似的天体系统，称为河外星系
，常简称星系 。目前观测到1000亿个星系，科学家估计宇宙中至少有2万亿个星系
。

关于太空知识

太空知识大全

太空知识大全。太空英语：Space ，汉语字典解释是极高的天空 。位于瑞士日内瓦的国际航空联合会定义了大气层与太空的界线
。以下是我为大家整理的太空知识大全
，希望能帮到大家。

太空知识大全1

1、我们的太阳系的所有行星中 、只有金星和水星是没有卫星的 。

在我们的太阳系中
、一共有176颗已确认的卫星环绕着它们的主行星、而且有一些卫星比水星的个儿头还要大
。

2 、如果一颗恒星太靠近黑洞
、会被黑洞撕裂。

在20年的时间中、一支天文学家团队一直在观测银河中央一颗围绕黑洞运行的恒星 。

目前恒星距离黑洞的位置近的足以出现“引力红移 ” 、也就是说随着黑洞的引力逐渐增强、该恒星的光线会失去能量。

3
、太阳系中最热的行星是金星
。

很多人会觉得应该是水星、因为它距离太阳最近。

但是金星的大气层中大量的气体造成了“温室效应
” 、导致金星表面的恒定温度高达462摄氏度 。

4
、太阳系有46亿岁了
。

准确的来讲、太阳系的岁数是45.71亿岁。

科学家预测大约50亿年后 、我们的太阳会扩张成一个红巨星 。大约75亿年后
、其扩大的表面就会吞噬掉地球
。

5、土星较小的一颗卫星——土卫二反射了90%的太阳光。

由于其表面被冰覆盖 、因此很少能吸收阳光
、基本上反射走了 。土卫二的表面温度可以达到零下201摄氏度
。

6、已经发现的最高山峰是火星上的奥林匹斯山。

它的顶峰有25公里高 、是珠穆朗玛峰的近3倍高 。而且它不仅高
、而且面积还有30万平方公里——这跟亚利桑那州一般大了
。

7、M51涡状星系是我们发现的第一个旋涡状的天体。

涡状星系庞大螺旋的旋臂是由细长排列的恒星和气体构成的 、还洒满了大量的宇宙尘埃 。

这些旋臂的作用就像是制造恒星的工厂、压缩氢气并制造出一群新的恒星。

8
、一光年是光在一年中行进的距离
。

光1秒钟能移动30万公里、因此1光年大约相当于5,903,026,326,255英里。

9 、银河系的宽度达到105700光年 。

我们乘坐现代太空船需要花费4.5亿年的时间才能到达银河系的中心
。

10
、太阳的质量是地球质量的33万倍还多。

太阳的'直径大约是地球的109倍、填满太阳大约要用到130万个地球 。

事实上太阳的质量巨大无比 、占了全部太阳系质量的99.85%
。

太空知识大全2

1
、构成我们身体的原子、骨头中的钙 、血液中的铁其实都是来自数十亿年前一颗超新星的一部分
、除此之外、我们身体氢原子是来源于137亿年前宇宙爆炸 、而在我们身体里几乎百分之99物质都是空的
、所以当把我们空间抽走、地球上所有人体积也就只有方块糖大小！

2 、电视机在没有节目时候、出现雪花点并伴有杂音
、其中1%的这种情况是来自宇宙大爆炸遗留辐射造成的、这种辐射也叫宇宙微波背景。

3 、地球是圆的吗？对也不对
、由于地球板块移动、地球外形始终在变 、所以它并不是一个非常完美的圆 。

4
、太阳是**的吗？不是、其实太阳是黄矮星 、事实它是白色的
、我们觉得它是**的、是由于地球大气层影响
。

5 、没有穿太空衣的人类在宇宙会被炸开吗?答案是不会
、因为人类的皮肤有足够的灵活度、让我们所有的内部器官都不会跑出来 、血管壁也会防止血液喷出。在没有外部压力的情况下、皮肤细胞中的水会在真空中沸腾
、血液的温度将提升到46℃、高于人体正常温度 。人体在这样的环境中 、身体尺寸的确会变大
、但肯定不会爆炸
。人类在太空死亡的主要原因是缺氧、没有穿太空衣地进入真空15秒后 、我们会失去意识
、并在2分钟内死亡。

6、地球在冬天时会比夏天离太阳较远吗?事实上 、地球的冬天比夏天更靠近太阳500万公里 。除了围绕太阳之外
、地球还要围绕着自己的轴旋转。穿过北极和南极的地球轴线、并不完全垂直于其轨道和落在上面的太阳光线
。在一年一半的时间里 、太阳大部分的热力落在南半球
、另一半则落在北半球、因此南半球的夏天比北方的温暖。

7,45亿年前 、地球曾经和火星大小的星球发生过撞击 。

8、太阳表面温度是一万度
、核心温度有1600万摄氏度、当你距离太阳150公里时候就会被烧死
。

9 、一个光子从太阳内部到表面
、需要17万年、当同样速度 、光子从地球内部到表面只需要8分钟。

10
、太阳并不是静止不动的、其实它一直在围绕着银河转圈 、不过太阳转一圈需要时间是2亿年时间 。

11
、到目前为止、人类只有3个人在大气层外丧生 、这是一个非常悲伤的事情
。

12
、目前太阳系发现的最大火山在火星上、这座火山面积相当于爱尔兰一个国家那么大。

13 、因为月球没有大气、所以1969年阿波罗宇航员留在月球的脚印
、现在依旧清晰可见 。

14、一个汤勺中子星重量是100多亿吨 、而太阳的质量占据了整个太阳系的99.86%
。

太空知识大全3

太空垃圾可分为三类：

1
、是用现代雷达能够监视和跟踪的比较大的物体，主要有种种卫星、卫星保护罩及各种部件等 ，这类垃圾当前已达8000多个；

2 、是体积小的物体
，如发动机等在空间爆炸时产生的，其数量估计至少有几百万；

3
、是核动力卫星及其产生的放射性碎片 ，到2000年
，这类卫星送到地球轨道上的碎片达3吨。

小学生太空知识

1、太空是指地球大气层以外的宇宙空间，大气层空间以外的整个空间 。物理学家将大气分为5层：对流层 、平流层
、中间层、热成层和外大气层
。

2 、地球上空的大气约有3/4在对流层内 ，97%在平流层以下
，平流层的外缘是航空器依靠空气支持而飞行的最高限度。

3
、太空站又称为“空间站”、“轨道站 ”或“航天站
”，是可供多名宇航员巡航 、长期工作和居住的载人航天器 。在太空站运行期间 ，宇航员的替换和物资设备的补充可以由载人飞船或航天飞机运送，物资设备也可由无人航天器运送。

4、宇宙是有层次结构的
、不断膨胀、物质形态多样的 、不断运动发展的天体系统
。

5
、行星、小行星 、彗星和流星体都围绕中心天体太阳运转
，构成太阳系。

6
、太阳系外也存在其他行星系统 。约2500亿颗类似太阳的恒星和星际物质构成更巨大的天体系统——银河系
。银河系的直径约10万光年，太阳位于银河系的一个旋臂中 ，距银心约2.6万光年。

7、银河系外还有许多类似的天体系统
，称为河外星系，常简称星系 。目前观测到1000亿个星系 ，科学家估计宇宙中至少有2万亿个星系
。

少儿太空科普小知识

小学生太空简短科普小知识有：

1 、我们的太阳系的所有行星中
，只有金星和水星是没有卫星的。在我们的太阳系中，一共有176颗已确认的卫星环绕着它们的主行星 ，而且有一些卫星比水星的个儿头还要大 。

2
、如果一颗恒星太靠近黑洞
，会被黑洞撕裂
。在20年的时间中，一支天文学家团队一直在观测银河中央一颗围绕黑洞运行的恒星。目前恒星距离黑洞的位置近的足以出现“引力红移” ，也就是说随着黑洞的引力逐渐增强
，该恒星的光线会失去能量 。

3、太阳系中最热的行星是金星
。很多人会觉得应该是水星，因为它距离太阳最近。但是金星的大气层中大量的气体造成了“温室效应 ” ，导致金星表面的恒定温度高达462摄氏度 。

4 、太阳系有46亿岁了。准确的来讲，太阳系的岁数是45.71亿岁
。科学家预测大约50亿年后
，我们的太阳会扩张成一个红巨星。大约75亿年后，其扩大的表面就会吞噬掉地球 。

5
、土星较小的一颗卫星——土卫二反射了90%的太阳光
。由于其表面被冰覆盖 ，因此很少能吸收阳光
，基本上反射走了。土卫二的表面温度可以达到零下201摄氏度 。

月球发现活嫦娥女尸

月球可以说现在已经是被人类给“征服”，很多国家都有过登上月球的经验 ，而最早登上月球的国家就是美国了
。而据传闻称美国阿波罗20号登月飞船竟然在月球上发现了嫦娥的尸体
，并且还长有3个眼睛，这到底是真是假呢？月球上嫦娥的死尸曝光之后 ，引起了全球网友的围观
，下面我们便一起来看看这个事到底是真是假！

美国月球上发现嫦娥的死尸

据新闻报道称，在1976年美国进行了阿波罗20号登月计划 ，并成功登陆月球背面
，发现了一座巨大的飞船残骸，在残骸中发现了一具女尸 ，女尸的面容和人类接近，并且还长有3只眼睛。于是网友们便结合我国民间神话故事“嫦娥奔月
”便联想到
，这具女尸的身份应该就是“嫦娥”，我只能说一句你们的“脑洞 ”真的太大了 ，嫦娥怎么可能是真的存在？她只存在于神话中而已
，不可能真的在“月球定居
”！

而阿波罗20号所发现的这具月球三眼女尸当然也是不存在的了，下面我就来为你来打假 。

上面这个视频就是当时所谓的阿波罗20号登月发现女尸的视频 ，在视频中还清楚了记载了时间
，甚至最后连飞船的残骸、女尸的样貌都拍摄得非常清楚，可以看到女尸的三只眼睛和嘴嘴巴一起用支架支撑了起来 ，看着还有点小恐怖
，但你别怕，这些都是假的 ，乃人为制作出来的一个视频
，其中的报道也都是假的！

月球嫦娥女尸是假的

据视频中的介绍称，这次登月计划是在1976年时进行的 ，但根据记载，美国在1976年根本就没有发射过已阿波罗20号命名的登月飞船
。还有就是介绍中称是美国和苏联合作完成
，你觉得可能吗？那个时候美苏正处于冷战时期，没打起来都是好的 ，两方还会在一起合作吗？想想都不可能啊！

在就是当年的科技根本就达不到“登上月球背面”的能力
，甚至苏联就连载人上月球的科技实力都没有，还能和美国去合作？这不是笑话吗？就算美国有过登月的经验 ，那仅仅也只是月球的正面
，想要到背面去那也是完全不可能实现的！

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真实地球照片太吓人

真实地球照片太吓人

真实地球照片太吓人。很多人对于我们生活的地球都是非常满意的，但随着各种各样的污染 ，我们的地球也变得难看起来了 。接下来就由我带大家了解真实地球照片太吓人的相关内容
。

真实地球照片太吓人1

境外媒体称
，许多人对地球的印象大概是美丽的水蓝色，不过其实那张照片是被“PS ”过的。最近 ，日本气象卫星向日葵8号拍下地球细部影像
，更是第一张呈现“素颜
”地球最真实颜色的照片

台湾12月24日援引英国《每日邮报》报道称，气象卫星向日葵8号在10月7日升空 ，近日在距离地球35790公里处拍下影像，超高解析度细腻呈现了云朵 、海洋、沙漠等细节
，更是第一张未经任何颜色修饰前，地球最原始样貌的照片 。

日本卫星拍下地球真正的样貌。

过去人们对水蓝色地球的印象来自这张照片
。

民众印象中 ，水蓝色的地球其实是美国太空总署利用色彩校正处理过的照片
，和向日葵8号拍下的灰色地球有很大的不同。不过，这张所谓“真实色彩”照片 ，指的并不是人类肉眼观看的影像
，而是呈现地球在太空中的真实样貌 。

“@NASA中文 ”还公布了一张地球的素颜照，这让网友感觉很惊讶 ，它凹凹凸凸的
，这里凹进去一块，那边又鼓出来一块
。整体样子 ，有网友说像地瓜
，有网友说像备用轮胎，还有的说 ，就像一个大石榴。

对于这张照片，天文学专家说
，地球确实不是一个正宗的球体，它的长相有点奇怪 。地球之所以长成这样 ，是由于它不仅要绕着太阳公转
，同时还要自转，地球的表面既有陆地 ，又有水
，为了保持内部的引力平衡，各方“争斗
”下 ，就长成了这个怪模样
。

其实
，关于地球的长相，科学家们也曾经存有争议。英国物理学家牛顿提出 ，地球由于绕轴自转
，因而不可能是正球体，而只能是一个两极压缩 ，赤道隆起，像橘子一样的扁球体 。但牛顿的理论遭到了反对
，当时巴黎天文台第一任台长卡西尼父子，就提出了反对意见 ，他们认为
，地球长得更像一个西瓜
。法国国王路易十四派出两个远征队，去实测子午线的弧度。结果证明 ，牛顿的扁球理论正确 。

现在
，科学手段发达，为地球测量开辟了多种途径
。通过实测和分析 ，终于得到确切的数据：地球的平均赤道半径为6378.38公里
，极半径为6356.89公里，测量还发现 ，北极地区约高出18.9米
，南极地区则低下24～30米。看起来，地球形状像一只梨子：它的赤道部分鼓起 ，是它的“梨身”；北极有点放尖，像个“梨蒂 ”；南极有点凹进去
，像个“梨脐
”被叫做“梨形地球” 。确切地说，地球是个三轴椭球体。

真实地球照片太吓人2

我们总在谈寻找地外文明 ，移民外星
，我们总渴望能够进行星际移民
。可是悲观的是，到目前为止 ，系外行星虽然发现了4000多颗
，可是依旧只有地球是目前已知的唯一具有生命适合人类生存的星球。我们的刻板印象里，自从43年前人类利用人造卫星拍摄了第一张地球全景图以后 ，地球就始终是那个生机勃勃
，海洋大陆泾渭分明的蓝色星球 。

43年前，当第一张卫星全景图最全球公布的时候 ，人们震惊于地球的美丽
，我们为此自豪，70%以上的海洋覆盖 ，在上陆地上郁郁葱葱的森林，这使得我们的地球就像一个蓝绿相间
，缤纷点缀，地界分明的仙境 ，从此
，这个美丽的形象就刻在了我们的脑海里，挥之不去 ，43年过去了
，我们地球一点也没变吗？它真的还是那么美丽吗？

43年弹指一挥间，地球变了 ，你或许不敢相信
，短短不到半个世纪的时间，地球已经变了 ，它失去了它的美丽
，甚至可以说是面目全非满目疮痍了，是的 ，现在的地球已经变得丑陋了，它的容颜被人类毁了
，你或许不相信，但是这是真的
。

由于社会分工的不同 ，对于大多数人而言其实并没有机会直接进入太空观看地球的真实面目的`
，就连第一手的从太空对地球拍摄的原始照片我们也没机会看到。我们所能看到的都是经过处理的的信息，而发布出来的关于地球全景的照片都是经过了技术处理的 ，这就让很多人以为地球这么多年并没有发生变化
，会让我们以为地球依旧美丽 。

是的，地球很美丽 ，只不过那是1978年的时候
，那是人类拍摄的地球确实是美丽的，清洁的大气环境 ，浩瀚的蔚蓝海洋
，那时的人类对地球的破坏真的很小，几乎是没啥影响 ，那时的地球有足够的能力消化处理人类造成的环境问题，但是现在变了
，我们的破坏力已经超越了大自然的承受能力
。

这些年随着人类社会的发展，我们真的是付出了巨大的代价 ，从太空往地球看
，海洋已经没那么蔚蓝了，陆地也没那么绿了 ，大气层也没那么正常了
，地球有点往灰褐色的方向转变了。

这还只是地球的内部，你知道吗 ，外太空也不是净土了
，近些年随着人类对人造卫星的依赖越来越大，大量的航天器飞往太空 ，成功的正常投入使用
，失败或者失效的就成了太空垃圾 。于是可想而知，我们的地球空就多了一层飞速运行的垃圾
。太空环境本来就危险复杂 ，尤其是在多了这么多的人造太空垃圾后，地球就更加危险了。尤其是
，我们对于太空垃圾几乎是束手无策，毫无回收办法 ，所以“太空垃圾 ”只会越来越多 。

这个世界上有200多个国家和政体
，大家关系复杂利益纠葛，但是有一点大家要记住 ，那就是地球是我们共同的家
，在我们还没有能力星际新民之前，大家还是要好好地保护她的 ，因为它是我们所有人存在的根本
。我们要让海洋一直蔚蓝
，让天空一直洁净，让大地长青 ，我们不要为了经济发展就彻底地抛弃了环境保护
，因为最后吃苦的一定是我们自己。

我们的地球是我们的，但终究也是那帮孙子们的 ，所以你觉得面对日益恶化的地球环境，我们应该及时的出手保护吗？

真实地球照片太吓人3

1
、全球今天共有73亿8000万人
，在持续增长的情况下，预计2056年时全球人口将突破100亿人！这张图是墨西哥城人口过剩的现状 ，一座城市要居住超过2000万人就是这样的结果！

2、因为有动物产品的需求存在
，非洲每天都有许多非法猎杀事件发生，用尽各种残忍的方式屠杀大象及犀牛 ，来满足象牙和犀牛角的非法动物产品市场！

3 、每两秒
，就有一片足球场大小的森林消失，其中最主要的原因就是森林大火！

4
、伦敦天空上留下许多飞机留下的轨迹 。

5、一辆运送着油砂的巨型卡车将油砂送往加工 ，这种资源被视为是未来世界的重要能源之一。

6 、加拿大艾伯塔省开采油砂后留下满目疮痍的地表
。

7
、一名内蒙古的牧羊人无法忍受受污染后的黄河发出的恶臭味。

8、孟加拉的一处垃圾掩埋场 。

9 、极端气候造成美国科罗拉多州野火连连
，森林大火每年给全球造成严重的人命伤亡和经济损失
。

10
、洛杉矶的夜景看似美丽，但美丽背后的代价却是源源不绝的能源需求。

11、在美国俄勒冈州 ，这片千年森林被夷为平地
，就只为了建造新的水坝 。

12 、为了种出不适合当地气候的农作物，西班牙阿尔梅里亚建造了一望无尽的温室农田 ，为了让当地居民吃到想吃的食物
。

13
、俄罗斯曾发现世界上最大的钻石矿区，但在采完矿后也给俄罗斯留下了世界上最大的废弃矿坑。

14、摄影师ChrisJordan在中途岛上发现遍地的信天翁尸体
，死去信天翁的肚子里装满了大量的塑胶垃圾，最讽刺的是中途岛是世界上离陆地最远的岛屿 ，证明人类每天制造的垃圾无所不在
，无所不害！

15 、和墨西哥城面临同样的人口过剩问题，印度新德里住了超过2200万人 ，空中秒看图肯定让密集恐惧症的人看不下去！

16、人间天堂马尔地夫即将在海平面上升的威胁下
，在本世纪被海水淹没 。

17
、每天都有数以万吨的电子废弃物被运往第三世界国家，除了压榨当地人民之外 ，电子零件中的有毒物质更是严重危害当地人民的健康！

18、加拿大的原始森林也正在一天一天地被砍伐 、焚烧殆尽！

19
、美国内华达州用来堆放废弃轮胎的地方
。

20、北极冰层的消失让北极熊失去了猎食海豹的平台
，找不到食物的北极熊最后只能吃掉自己的幼子充饥，最后活活把自己饿死。

21 、美国加利福尼亚州的油田被人类无情地开发直到完全干枯为止！

22
、南北极的冰川每天都以惊人的速度在融化 ，冰层消失减少了反射太阳光的能力
，海水吸收太阳光升温后加速冰缘融化的速度！

23、燃烧石化燃料加剧全球暖化 、造成气候变迁的发生已经是无可否认的事实 。

古代印地安人有一句谚语说得非常好，「只有等到最后一棵树被砍倒
、最后一条鱼被补捞、最后一条河被污染被污染之后 ，我们才会明白，钱是不能拿来吃的」！

关于“中国航天小短文”这个话题的介绍
，今天小编就给大家分享完了，如果对你有所帮助请保持对本站的关注！