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軌道速度 ORBITAL SPEED


Q.在宇宙飛船返回再入大氣層時,如果用一個像「好奇號」降落火星表面時所用的「天空起重機」,把飛船的速度降到每小時只有幾千米,那是不是就可以不用熱防護罩了?

——布賴恩


Q.有沒有一種辦法可以讓飛船在衝入大氣層的時候避免壓縮大氣,這樣就不再需要昂貴而又脆弱的外部熱防護罩了?

——克裡斯托弗·馬洛


Q.可不可以把一個小火箭(載有貨物)提升到一個很高的地方,然後在那裡只需要很小的火箭就能達到逃逸速度?

——肯尼·范德梅勒


A.這三個問題問的東西本質上是一樣的,而且我在其他幾篇文章中也講到過,不過現在我把它們特別拿出來講一下:

進入地球軌道之所以困難並不是因為太空太高。

進入軌道很困難是因為你必須達到足夠快的速度。

太空並不是像這樣:

未按真實比例繪製

太空其實是這樣的:

你知道的,按真實比例繪製。

太空大約距離我們有100千米遠。它確實很遙遠——至少我不想爬100千米高的梯子——但它又沒有想像中的遠。如果你在薩克拉門托、西雅圖、堪培拉、加爾各答、海得拉巴、金邊、開羅、北京、日本中部、斯里蘭卡中部或者波特蘭,那麼你離大海的距離比你離太空的距離還要遠。

進入太空1很簡單。雖然你確實沒法開車進入太空,但這並不是一個大問題。僅靠一個電話線桿大小的探空火箭就能把一個人送入太空。要知道美國的X-15飛機就是因為飛得非常快,然後機頭往上一拉進入太空的2,3。

你這是來也匆匆,去也匆匆。

進入太空容易,要留在太空中就沒那麼簡單了。

近地軌道處的地球引力幾乎和在地面上一樣強。即使是空間站也沒能逃離地球引力的魔爪,它受到的引力大小約是在地面上的90%。

要想不從太空掉回來,你必須要繞地球飛得足夠快。

要想保持在繞地軌道的高度你需要達到每秒8千米4的速度。火箭的能量只有很少一部分用來將負載帶到大氣層外,大部分的能量都被用於加速到軌道上側著走的速度。

於是我們就看到了入軌的重點:達到軌道速度要比進入軌道高度花費多得多的燃料。要想把一艘飛船加速到每秒8千米需要許許多多的助推器。達到軌道速度已經很難了,還要攜帶足夠的燃料把速度再降下來根本就是不切實際的。5

如此驚人的燃料需求也是為什麼飛船在再入大氣層時都用熱防護罩而不是反推火箭來減速——一頭栽入大氣層是最可行的減速方式。(至於布賴恩問的那個問題,「好奇號」也是這麼減速的,它攜帶的反推火箭只是在接近地面時才啟動,之前已經通過火星大氣制動降低了一大部分的速度了。)

那麼,每秒8千米有多快呢?

我覺得人們之所以會有開頭的那些迷惑,是因為在太空中的航天員看起來移動得並不快,他們看起來就像在慢慢飄過一顆藍色星球。

但每秒8千米的速度是非常非常非常快的。如果你在日落時仰望天空,有時候你會看到國際空間站從你眼前飛過……然後過了90分鐘,它又出現了。6也就是說國際空間站在這90分鐘時間裡繞地球飛行了整整一圈。

如果你想和國際空間站比飛行速度的話,假設你在足球場的一端射出一顆來復槍子彈7,當國際空間站跑到足球場的另一端時,子彈才剛飛了不到10米。8

想像一下你以每秒8千米的速度在地球表面競走會是什麼樣子。

為了讓你有更直觀的感受,我們不妨以歌曲的節拍來記錄時間。9假設你在開始時播放了1998年普羅克萊門兄弟演唱的I\'m Gonna Be(500 Miles)(我要走五百英里),這首歌每分鐘大約有131.9拍,所以歌曲每播放一個節拍,你就能走上2英里多。

當你唱完歌詞的第一行時,你就已經從布朗克斯(紐約最北端)走到了自由女神像那兒了。

相當於你每秒能跑15個地鐵站。

當你唱完第二行(16拍)時,你就能夠跨越英吉利海峽了。

而這裡有一個很神奇的巧合。歌曲一共有3分30秒長,而國際空間站的速度是每秒7.66千米。

這意味著如果國際空間站上的一位宇航員在聽這首歌,那麼在整首歌唱到最後一行時……

……他剛好跨越了約1000英里的距離。

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1.這裡是指國際空間站或者航天飛機所在的近地軌道。

2.X-15曾兩次飛到太空,皆由約瑟夫·沃爾克駕駛。

3.記得是往上拉機頭,而不是往下,否則你就要悲劇了。

4.如果是在近地軌道較高處的話這個數字會小一些。

5.指數式增長是火箭科學中的核心問題:速度每秒提升1千米,就需要自身質量×1.4千克的燃料。進入軌道要加速到每秒8千米,這需要1.48≒15倍自身重量的燃料。用火箭減速也會面臨相同的問題,速度每減少每秒1千米,就需要1.4倍自身質量的燃料。如果想要減速到零,並輕柔地再入大氣層,那麼還需要額外的15倍自身質量的燃料。

6.網上有許多軟件可以幫你找到國際空間站和其他一些衛星的位置。

7.足球或橄欖球都行。

8.這麼玩在澳大利亞是被允許的。

9.心肺復甦也會用歌曲的節拍計算時間,使用的歌曲是Stayin\' Alive(活下去)。