万有引力
自然界里直接影响太空旅行的另一个基本力是万有引力,常被称作重力。这是唯一普遍存在的吸引力,万事万物因此相互吸引。万有引力的大小仅取决于三个因素:两个物体的质量、形状和相互之间的距离。
当然,重力就是把物体固定在地球上的力。正如前文提到的,地球大气层的运动如此迅速,不会变成固态或液态。尽管如此,地球的重力还是能把大气层的多数气体束缚在它的周围。地球重力也会阻止被风吹起的树叶飘向太空,因为一旦风停下来,重力最终会使树叶落回地面。
此外,有些航天器(如国际空间站)虽然被重力拉向地球,但由于它们环绕地球运行的速度较快,所以不会直接掉落到地球上。我们把这称作“在轨”。
让我们看看火箭发射。发射时,火箭并不是垂直升空,而是以某个角度向上飞行,为的是保持一个与地球表面平行的运动分量,这样才不会在燃料耗尽时直接掉回地球。如果速度足够快,它就会进入轨道。如果速度不足以进入轨道,那么它会在燃料耗尽后继续向上飞行,直到地球重力阻止它继续上升并使它落向地球。如果暂时忽略空气阻力,在这段被称作弹道飞行的无动力飞行中,火箭就像一只被踢了一脚的足球,呈抛物线轨迹运动。喷气式飞机也可以在大气层沿同样的轨迹飞行,如图1.9所示。图的左侧是飞机的动力飞行阶段,到了标有“微重力状态”的区域,发动机熄火,飞机沿抛物线飞行。
事实上,空气阻力的影响并不能忽略不计,它对弹道轨迹造成的改变可以计算出来。说到空气阻力,值得一提的是,火箭推进不需要空气。换句话说,火箭产生的喷射气流用不着反推空气就能推进火箭。
图片来源:美国国家航空航天局
①KC–135 喷气式运输机是美国宇航员失重训练常用的一种机型。
此外,在太空的真空环境中,火箭不需要驱开空气前进,所以推进效率要高于大气层飞行。太空中极为稀薄的空气意味着我们不必再担心空气的影响。
科学与科幻作品
声音是空气压缩和稀薄化的结果。压缩是将气体原子和分子聚集在一起,稀薄化是与压缩恰恰相反的过程,也就是空气变得比正常情况稀薄。换句话说,声音是空气压力变化的结果。因此,空气的存在是声音得以传播的必要条件。太空的空气密度是我们所呼吸的空气的1025分之一,也就是说,在太空中,每立方米只有几个原子或分子。因此,像电影《异形》(Alien)里“诺斯托罗莫号”飞船这样的航天器在穿越太空或者爆炸的时候,基本上没有空气来传播声音。太空是个非常非常寂静的所在,你在看科幻电影时听到的太空声响真的并不存在。
- 原文为“rocket”(火箭),用词不准确。事实上,火箭把飞船送入轨道之后就被抛弃了,接下来环绕地球飞行的是加加林乘坐的“东方1号”(Vostok 1)飞船。
- 原文为“280”,有误。加加林和返回舱的预计着陆点是拜科努尔,实际着陆点是萨拉托夫(Saratov)地区的恩格斯(Engels),两地相距约2 800千米,而不是280千米。
- 据说,穿着全套宇航服的加加林着陆后,对被他吓到的一对农民父女说:“不要害怕,我也是苏联人,刚从太空回来,我现在必须找到一部电话,好打给莫斯科。”
- 雷·卡明斯(Ray Cummings,1887—1957),美国科幻小说家,著有750多部长篇和短篇小说。
- 围绕其他恒星转动的行星被称为外行星或太阳系外行星。
- 虽然在科学领域,数字可以做到高度精确,但过于精确的数字不但没有帮助,反而令人糊涂,所以我会使用“约”和“大约”这样的词语,便于你掌握概数,并将其与你已知的数字进行比较。
- 抛出去,指太空碎片受行星引力的扰动而改变了运行轨道。
- 从黄道面上方俯视,太阳系八大行星均逆时针围绕太阳转动。
- 鸟神星的第一颗卫星是在我写本章的时候发现的。
- 近地天体,指近日点小于1.3个天文单位的太阳系小天体。天文单位(AU)指太阳和地球之间的平均距离,1 AU≈1.5亿千米。
- 地球轨道,指地球的公转轨道。同样,火星轨道指火星的公转轨道。
- 内太阳系,指太阳系中太阳与小行星带之间的区域。
- 这里呼应前文将彗核形容为“脏兮兮的太空冰山”。
- 月球是地球的卫星。
- 本书的很多数字都使用科学记数法来表示,具体方法详见本书附录。
- 科学记数法是把一个数表示成a与10的n次方相乘的形式,其中1Ga<10且n为整数。在原文中,本段的150×106,以及下一段的55×106、400×106等均不符合科学记数法的原则,这样写只是便于读者对各段距离进行比较。
- 即公转周期。
- 即氕,氢的主要稳定同位素。
- 伦琴被认为是X射线的发现者,所以X射线又称伦琴射线。
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