绕地球飞行的“天和号”

2021年4月29日，长征五号B遥二运载火箭载着“天和号”核心舱发射升空。“天和号”是由我国科学家自主研制的空间站核心舱，它的升空标志着我国航天技术又前进了一大步。通过现场直播，我们看到“天和号”与火箭逐渐分离。作为未来空间站的中心模块，它要在太空中绕着地球遨游至少10年。那么，“天和号”与火箭分离后，如何继续在太空中飞行呢？

17世纪，牛顿发现两个现象：一是万物都有向地面掉落的趋势；二是如果一个物体没有受到任何外力，它会保持静止，或者以恒定的速度沿直线前进。天上的月亮却仿佛违背了这两条规律，它不仅没有从天上掉下来，撞向地球，还能绕着地球转圈。这是为什么呢？

为了解决这个问题，牛顿设想了一个实验场景。在这个实验里，地球是个完美的球形，上方也没有空气。假设一座高山的顶端有一门超级大炮，这门超级大炮只可以朝着水平方向开炮，但是可以调节每次开炮的火药数量。也就是说，人们可以通过控制炮膛内爆炸的力量，让炮弹以不同的速度发射出去。没有空气就意味着炮弹出膛后没有空气阻力使炮弹减速。

根据抛掷石头的经验可以知道，当我们向水平方向抛石头时，石头会沿着抛物线飞出去，最终落地，炮弹也是如此。即使用超级大炮发射出去的炮弹，也会沿着抛物线落向地面。

随着炮弹速度逐渐增加，炮弹飞行的轨迹会越来越长，落地的位置会越来越远。当炮弹的速度足够大时，神奇的事情就发生了：这颗炮弹竟然像月亮一样绕地球一直转，而不会掉下来。

这样的现象并没有违背牛顿先前总结的那两条规律。炮弹确实是在地球引力的作用下向地面“坠落”的，并且这个“坠落”过程在持续发生。既然炮弹受到了引力的作用，它也就不能再保持匀速直线运动了。尽管它还保持着飞离大炮时的飞行速度，但轨迹却发生了弯曲，变成了圆形。这时炮弹的运动就成了匀速圆周运动。地球的重力提供了不让炮弹飞离地球的“向心力”。

此时，炮弹的飞行速度就是第一宇宙速度。第一宇宙速度是指让物体能够在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度。这个速度大约是7.9千米每秒，“天和号”离地面有一定距离，因此绕地球飞行的速度略低于7.9千米每秒。由于第一宇宙速度是让航天器能绕行地球的最小发射速度，也是绕转地球的航天器的最大运行速度，所以在航天领域也经常被称作“环绕速度”。科学家们正是将“天和号”以这样的速度发射至太空，才使其在太空中保持绕地飞行。

如果我们把炮弹发射得更快一些，会发生什么呢？它会偏离圆形轨道而飞行。好在地球的质量很大，质量越大引力也越大。在炮弹速度增加得不多时，地球引力还是有能力把它拽回来的，只是炮弹飞行的轨道会变成椭圆形。

当炮弹的速度超过11.2千米每秒时，地球的引力将无法阻止炮弹远离地球，这个速度被称为“逃逸速度”，也就是第二宇宙速度。2020年，我国研制的用于探访火星的“天问一号”，就是以高于第二宇宙速度的速度被发射并飞向火星的。

尽管地球的引力没有办法束缚超过第二宇宙速度的航天器，但质量更大、引力更强的太阳却仍能将它们抓住不放。要想逃离太阳系，从地球表面发射的航天器的速度就要更快。这个临界速度被称为“太阳逃逸速度”，也就是第三宇宙速度，大小是16.7千米每秒。单凭地球上火箭的发射力量是无法达到这样的速度的。目前唯一飞离太阳系的航天器“旅行者号”，是依靠木星等行星提供的“引力弹弓”效应得以逃脱太阳的“势力范围”的。

总之，由于引力的作用，从地球发射出去的物体会因为速度的不同而有不同的运动轨迹。当速度达到第一宇宙速度时，它的轨迹是以地球为中心的圆形或椭圆形；当速度逐渐增加而达到第二宇宙速度时，它会飞离地球；而当速度高于第三宇宙速度时，它就能脱离太阳引力的束缚，飞离太阳系，探索更远的宇宙。