火箭是人类制造的速度速度最快的运输工具,大家所见到的火箭弹,一直顷刻运行,随后不断加速,最后以非常高的速度飞出去地球。要加速到什么地步?那应该关键具体要看规定,仅仅只是围着地球转,就只需要每秒钟7.9千米,如果想摆脱地球的吸引力,就需要每秒钟11.2千米,但是如果速度达到每秒钟16.7千米,就可以和太阳系行星说再见了。
这三个速度也就是我们常说的第一、第二和第三宇宙空间速度,能够看见,即便是第一宇宙空间速度也是非常令人惊讶的,用这样的速度,只需大约1.4钟头就可以围着地球转上一圈。
很明显,要把火箭弹这类佼佼者加速到如此高的速度是需要大量的能量,而且在加速环节中,航天员还需要承受巨大的加速度。这不免会让人产生一些疑惑,飞出去地球非得做到第一宇宙空间速度吗?渐渐地甩出去可以不可以?例如以每秒1米速度一直向上飞,能否飞出去地球?今天我们就来讨论一下。
所谓宇宙第一速度,其实是指当某个物件达到这一速度以后,就可以不会再需要额外的驱动力,光凭惯性力就可以围着地球转。这是为什么呢?由于地球是圆的,假如一个物体的速度可以追赶黎明时分降低幅度,那么这个物件也不会被地球的吸引力“扯”出来(如图所示)。
换句话来说便是,从理论上来讲,一个物体只需一直有着额外驱动力,就无需非得做到第一宇宙空间速度才可以飞出去地球,即便是以每秒1米速度一直向上飞,同样也能飞出去地球。但问题的关键是,一个从地球表层一直向上飞得物件,时时刻刻都一定要摆脱地球的吸引力(不然就会摔下去),这肯定是需要能量,相对于火箭弹而言,这也就意味着然料消耗。
显而易见的是,火箭的速度变慢,它飞出去地球所用的时间就越长,相对应的其用以摆脱地球引力的燃料消耗也就越大。所以在发射火箭时,正确做法应该是使其尽早的把它加速,那样就可以减少火箭弹飞出去地球所用的时间,以达到节省然料的效果。
可能有人会说了,才多大点事儿啊,咱多带些然料不就行了吗?看起来此方法好像是合理的,但这时候面临另一个问题:然料是有重量,你然料带越多,火箭弹本身重量就越重,这也就意味着更多燃料消耗。关于这一点,我们可以参考一个简单的公式计算,即 Vm = Vr x ln(M1/M2)。
这就是著名的“齐奥尔科夫斯基公式计算”,在其中Vm意味着火箭弹可以达到的最高级速度,Vr意味着然料燃烧后离开航空发动机喷嘴时候的速度,M1和M2分别对应火箭的原始总重量(含航天飞机)及其然料耗光时候的最后品质,“ln”也代表当然对数函数(以常量e为实数的多数)。
留意,当然对数函数的提高是非常缓慢,因而然料数量的增长根本无法有效地提高火箭的速度。
因为一个物体的速度至少要达到第一宇宙空间速度不会掉下去,所以在实际运用中,这个公式里的Vm也要不低于这个值,加上已有的然料所能提供的速度是已知,因此专家就可以在全面分析多种要素后算出M1和M2的比值极限。
从理论上来讲,这个值极限为12.5,而实际上大家目前只能让这个值较多保证20,例如人们目前为止最大的火箭——木星5号(Saturn V),它重约3000吨,却只有大约150吨运载能力。
值得注意的是,这已经是“正常操作”(根据尽早的让火箭弹加速以达到节省然料的效果)中的状况,但假如要以每秒1米速度一直向上飞,就必须要还需要附加带上大量的用于摆脱地球引力的然料,这就会导致火箭弹本身重量大幅度提升,乃至根本就无法起降。
因此可以说,以人类现今航空航天整体实力,可以从地球表层渐渐地甩出去,简直就是一件不太可能完成的任务。
总得来说,这深层原因是我们所采用的化石能源效率确实非常低,也正因如此才有人誉为,在航空领域大家人类发展史仅仅处在十分最原始的“石器时代M”。就目前的情况来看,也许只有当人类完全掌握可控核聚变技术性以后,我们才可以渐渐地飞出去地球。