WHAT IF: 轨道速度
Junius @ 2013.09.03 , 09:15 上午
提问1：
太空飞船返回地球的时候，能不能像火星登陆车一样用火箭反推减速进入大气层？这样就可以取消隔热罩了？
——Brian
提问2：
有没有一种方法，可以让太空飞船控制自己进入大气层的速度，避免大气层的摩擦，这样就不需要昂贵（而且相对脆弱）的外部隔热罩？
——Chistopher Mallow
提问3：
一枚带有荷载的小型火箭，能否只用一个小型的火箭推进器就达到逃逸速度？
——Kenny Van de Maele
这些问题的答案，都归结于一个问题。这个问题我们已经在其他的文章中提及过， 但今天我想专门就这个问题和同志们谈一谈：
问题的关键是：飞上轨道的难度不在于那个「高度」。
而在于，你必须保证一定的速度，才能留在轨道上。
外太空不是这个样子的：
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其实是这个样子的：
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所谓「外太空」，其实就是离地100公里之上。听上去很远——反正我蹬梯子是上不去的——但换个角度，其实也没那么远。如果你在萨克拉曼多（加州首府）、西雅图、堪培拉、加尔各答、海得拉巴（印度南部一城市）、金边、开罗、北京、日本中部、斯里兰卡中部，或者是波特兰，去海边比去太空还远。
去太空挺方便的（低空轨道，比如国际空间站所在高度），虽不像开车这么简单，但也不是什么大挑战。你用电线杆大小的捆绑火箭就能把人送上外太空。X-15太空飞船，埋头猛跑冲上外太空，马上就掉头回来了（切记是掉头回来，而不是自由落体，不然就麻烦了）。
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上太空不难，难的是待在那里。
在低空轨道上的地心引力，几乎和地面一样。国际空间站也没有完全逃离地球引力的束缚；那里受到来自地球的拉里大概有地面上的90%。
为了避免坠入大气层，你必须绕着地球跑得飞快，非常快。
为了维持轨道高度，你必须达到每秒8公里的速度。只有一小部分火箭燃料是用在冲出大气层；大部分燃料是用来获得在轨道上的「横向速度」。
这就让我们来到了问题的核心：
达到轨道速度所需的燃料，要比达到高度所需的多很多。
为了达到8公里/秒的轨道速度，已经用去了大部分的运载火箭。达到这样的速度已经很难；在这个速度上，再带上足够的燃料来减速返回，实在是不具可操作性(注1)。
面对这丧心病狂的燃料需求，每一艘出差的飞船，都没用什么减速火箭，直接披上防火衣就回来了——自由落体与大气层猛烈摩擦，才是最实际的减速方案（回答 Brian 的问题，好奇号的着陆也不出此道；虽然确有小型火箭帮助着陆，但它是先经过火星大气层的空气制动减速过的。）
8公里/秒到底有多快？
这个问题的很多误解，可能来自于宇航员给你们的假象，好像他们是悠哉悠哉飘在我们的蓝色星球上。
但 8公里/秒的速度，真的是快到蛋疼。在日落的地平线上，有时候你可以看到国际空间站飞过，90分钟之后，你又会看见它一次，在90分钟内，它已经绕了地球一整圈了(注2)。
国际空间站快到，如果你在足球场的一头开枪，当空间站已经到了足球场的另一头，子弹只飞出了10码远。
让我们来想想一下，在地球上以8空里/秒的速度漫步会是什么场面。
为了让你更好的体会这个步伐，让我们来唱歌打拍子注3。假设你开始哼Proclaimers乐队，1988年的老歌《I'm Gonna Be（500 Miles）》。这首歌大概一分钟131.9拍，在每两拍之间，你就走出2英里了。
在第一句合唱的时间里，你就已经从国家图书馆跑到布朗克斯区：
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然后只花了两行歌词（16拍）的功夫，就已经穿越连接英法的海底隧道了。
整首歌的长度，导致了一个有趣的结果，从第一句唱到到结尾，一共3分30秒，国际空间站的速度是 7.66公里/秒。
也就是说，如果国际空间站上有个宇航员哼着这歌，当他唱完这首歌的时候……
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……他们已经飞过了整整1,000英里的天空
注1：火箭学上的核心困难，是燃料需求的指数级增长：速度每增加1公里/秒，所需的燃料等于总重量X1.4，为了进入环地球轨道，速度必须达到8公里/秒，也就是需要 1.4×1.4×1.4×1.4×1.4×1.4×1.4×1.4≈15 倍于飞行器的总质量的燃料。
用火箭推进器来减速，也遇到同样的问题：每减少1公里/秒速度，需要总质量X1.4的倍数，如果你想要减速到0——然后优雅地进入大气层——把你的总质量X15，就是你需要的燃料.
注2：网上有很多很好的软件，可以帮你找到空间站的当前位置，还有其他一些卫星的信息。我最喜欢的就是这款：ISS Detector，不过如果你 Google 一下，你能找到更多。
注3：用唱歌打拍子来计算时间的方法，也被用在在心肺复苏训练（CPR training）中，他们一般唱《Stayin' Alive》。
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