问题

航天器可以用很慢的速度飞出地球吗?

回答
想象一下,你要带着一个非常非常重的物体,比如一整座山,然后你想把它推离地球。你肯定需要花费巨大的力气,而且这个力气需要持续不断地施加。航天器离开地球,虽然比搬山容易得多,但本质上也是一个克服引力的过程。

我们日常生活中感受到的“慢”和“快”其实是相对于我们自身速度的。当你走在路上,你感觉自己是在移动,但和你坐高铁比起来,你就觉得很慢了。在宇宙尺度上,这种“慢”的概念会更加复杂。

那么,航天器“很慢”地飞出地球,这到底是怎么回事呢?

首先,我们要明确“飞出地球”是什么意思。通常,我们说的“飞出地球”是指达到逃逸速度。逃逸速度就像是给物体一个“通行证”,一旦达到这个速度,它就能够摆脱地球引力的束缚,永远地飘向太空深处,而不需要再施加推力。在地球表面,这个逃逸速度大约是每秒11.2公里,换算成我们熟悉的单位就是每小时40,270公里。这个速度听起来已经非常快了,对吧?

但是,如果我们说的“飞出地球”是指进入地球的轨道,也就是绕着地球转圈,那就不需要达到逃逸速度了。比如,国际空间站就以每秒约7.66公里的速度(约每小时27,576公里)绕着地球飞行。这个速度虽然也很快,但比起逃逸速度还是有差距的。

现在回到你的问题:航天器能不能用“很慢”的速度飞出地球?

如果“很慢”是指低于我们通常理解的“高速”,比如几公里每小时,那么答案是:非常困难,而且从实际操作和效率上来说,几乎不可能。

为什么这么说呢?我们可以从几个方面来理解:

1. 克服引力需要能量: 地球的引力就像一只无形的手,时刻把你往下拉。你想把它推开,就需要一个向上的“推力”。这个推力必须足够大,或者持续足够长的时间,才能抵消地球的引力并将航天器送出去。如果你用一个非常小的推力(也就是很慢的速度来施加这个力),你需要非常非常长的时间才能让航天器积累起足够的动能来摆脱地球的引力。

2. 大气层的阻碍: 地球被一层厚厚的大气包裹着。当航天器以任何速度穿过大气层时,都会受到空气阻力。这个阻力会消耗航天器的能量,减慢它的速度。如果你想用一个“很慢”的速度穿过大气层,这个阻力会更加显著,甚至可能导致航天器在还没飞出大气层前就被消耗殆尽。想象一下用羽毛去钻水,即便你慢慢推,水的阻力也会让你寸步难行。

3. 效率和时间: 即使我们假设有一种神奇的方式可以忽略大气阻力,并且用一个非常小的恒定推力来加速航天器。如果这个推力非常非常小,以至于它只能产生一个微小的加速度,那么航天器需要花费极其漫长的时间才能达到逃逸速度(或者至少是进入轨道的速度)。这个时间可能会长达数年甚至更久。在这么长的时间里,维持这么一个微小的推力,其所需的燃料和技术难度是巨大的。而且,这么长时间暴露在太空辐射和其他环境中,对航天器的结构和设备也是极大的考验。

4. 逃逸速度的定义: 逃逸速度本身就是一个最低的要求。你必须达到那个速度才能摆脱引力,并且“一旦达到,就不再返回”。如果你的速度一直都很慢,那么你只是在地球的引力场中缓慢地爬升,但地球的引力仍然会把它拉回来。它不会真正地“飞出”地球,更像是“卡在了地球的引力井里”。

但是,如果我们换个角度理解“很慢”,或者说采用更“温和”的方式呢?

有一些技术概念可能会让你觉得这是可能的,但它们其实是基于一种累积效应或者特殊的轨道设计:

电推力器(离子发动机): 这类发动机非常省燃料,它们通过电离氙气等惰性气体,然后利用电场将这些离子加速喷射出去,产生微弱但持续的推力。这种推力非常小,可能比你用手指推一个玩具模型还要轻。但由于它能长时间持续工作,积累下来的速度变化(Δv)可以非常大。所以,使用电推力器的航天器在离开地球的过程中,可能初期阶段是以一种非常缓慢的加速方式进行的,但最终还是需要达到足够的速度才能真正离开。这种“慢”是指瞬时推力很小,而不是最终达到的速度很慢。一旦离开地球大气层,它的加速过程可能持续数月甚至数年。

引力弹弓效应(Gravity Assist): 这是一种利用行星引力来加速或减速航天器的方法。比如,航天器飞到木星附近,让木星的引力把它“甩”出去,这样它就能获得巨大的速度提升,而自身消耗的燃料非常少。这可以说是利用“外力”来达到快速离开,而不是航天器本身以很慢的速度“爬”出去。

更长的加速轨道: 有些任务可能不会选择一次性以最快速度冲出地球。它们可能会先进入一个低地球轨道,然后通过多次启动火箭发动机,逐渐将轨道推高并加速,最终达到逃逸速度。在这个过程中,每一次的加速都可能是一个相对“慢”的过程,但是整体任务的时长会更长。

总而言之, 如果你指的是“以极低的速度,比如几公里每小时这样的速度,能够直接冲出地球”,那么答案是否定的。地球的引力和大气层会让这种尝试变得不可能,或者效率极低,以至于在实际操作中没有任何意义。

航天器需要达到一定的速度才能摆脱地球的引力。即使是使用非常高效的推进系统(如电推力器),它们也是通过长时间的持续加速来累积速度,而不是以一个恒定的、肉眼可见的“慢”速度飞行。所以,“慢”的描述可能更多地体现在推进器的推力大小上,而不是航天器飞离地球最终所需的速度上。

与其说“用很慢的速度飞出地球”,不如说是“用很小的推力,经过长时间的持续加速,最终达到逃逸速度飞出地球”。这才是更贴近实际情况的说法。

网友意见

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可以。

力大飞砖不是段子。只要能持续不断供给能量每年一毫米速度都可以飞出银河系。

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其实很多人都能没理解第一第二第三宇宙速度的含义。

所谓的地球的第一宇宙速度,可以这么来理解:

你往前面扔一块石头,它肯定会划过一道曲线落在地上。那么用更大的力气扔(相当于给这块石头更大的初速度),那么这块石头就可以飞得更远。如果我们希望它能够飞得更远,以至于永远不会掉下来,那么我们就要给他7.9km/s的初速度。以这个初速度扔出去的石头,就会绕着地球一直转下去(不考虑空气阻力,假设地球为引力均匀的完美球体,即真空中的球形地球2333)。

一方面来理解,就是转动的向心加速度等于重力加速度。另一方面来理解,就是假设石头落地需要t秒,那么在这t秒钟里,它要往前移动足够的距离,使得它不会着地。

那么问题在哪呢,问题就是这块石头是没有持续的动力的,所以这个第一宇宙速度其实是它的初速度,它不会再加速也不会减速了。它不会掉下来的原因就是“离心力”等于重力,所以能维持在轨道上。而题主所问的航天器,能够一直保持动力来调戏(克服)重力,所以它有足够的动力来克服重力之后,哪怕剩下的只有0.001m/s的径向速度,也足够离开地球了。对它来说,不需要考虑什么宇宙速度的问题了。

当然这样实在是太消耗燃料了,不经济也不现实,所以现在发射航天器不会采用这种办法。

PS:补充一下,拿石头举例子只是想解释一下第一宇宙速度的含义。现实中存在空气阻力、地球自转等等因素,而且航天器是有动力的,可以自行加速、转向,和石头当然不同。

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