低于第二宇宙速度，航天器能脱离地球引力吗？

本文来自微信公众号：孔夫子百科，作者：newtonian6

提及宇宙速度，不少人都能侃侃而谈：这可是中学物理的基础内容呀。第一宇宙速度是7.9km/s，达到它就能绕地球旋转而不会掉落；第二宇宙速度为11.2km/s，能摆脱地球引力进入宇宙空间；第三宇宙速度是16.7km/s，可飞出太阳系。道理简单明了，情况大致如此。

上学时，书本里的定义让我觉得，要实现环绕或逃离，必须达到这些速度。直到大学毕业那年，导师带我第一次坐飞机（没错，我大学毕业才首次坐飞机）从北京飞往昆明做毕业设计项目。在飞机上，望着窗外的白云，我突然疑惑：不是说最低要第一宇宙速度才能绕地球运动吗？那可是每秒7.9千米，可飞机速度慢多了，每秒仅两三百米，不也在绕地球飞行吗？这个看似愚蠢的问题，我从北京一路想到昆明，最终总算想明白了。

要解答这个问题，得从第一宇宙速度的由来谈起。牛顿曾用一个思想实验解释天体运行轨道：假设在山上向前扔石头（牛顿说的是炮弹），石头一边前进，一边向地心掉落，最终轨迹呈抛物线。当石头速度足够快时，不考虑空气阻力，它向地心掉落的高度会被地球圆弧表面抵消，从而形成绕地球旋转的圆周运动轨迹。

这个巧妙的思想实验隐含一个条件：石头出手后处于自由运动状态，除引力外不受其他外力。显然，飞机不满足这一条件，它除受地球引力外，还受发动机推力、空气阻力以及机翼升力。正是升力托举着飞机，使其能以远低于7.9km/s的速度绕地球表面飞行。

同理，我对第二、第三宇宙速度也曾有不完整的理解，认为航天器必须达到这些速度才能脱离地球或太阳引力范围。实际上，这同样隐含一个前提：航天器从地球附近出发后仅受引力作用。若有发动机持续推动火箭向地心反方向前进，哪怕速度如走路般慢，只要时间足够长，火箭就能到达离地球足够远的地方，此时其动能会大于在无穷远处的势能，即便关闭发动机，也能飞入遥远宇宙空间。

发射航天器时，不可能让火箭一直向上推，所以需在一定时间内尽快将火箭加速到对应宇宙速度。此时关闭发动机，航天器在引力作用下，也能按预定轨道绕地球运动或飞入深空，不会掉回地球。

对于旅行者1号、2号，卡西尼号，新视野号等深空探测航天器，需达到第二甚至第三宇宙速度。若仅靠火箭加速到如此高速，会消耗大量燃料，需要巨大火箭，甚至难以实现。这种情况下，通常先用火箭以较低速度发射航天器，再利用大行星（木星尤其适合）的引力弹弓效应加速，以获得所需高速。