基础火箭科学：亚轨道与轨道飞行

本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点

私营太空企业蓝色起源于2015年11月23日创造了历史，成功发射、再入和着陆了其完全可重复使用的载人火箭。

该项目的单级运载火箭将一个原型6人模块提升到大约100公里（330,000英尺）的高度。该模块重返大气层并展开降落伞进行 сухое 着陆，而火箭则进行了非凡的自由落体和动力着陆，返回到不久前离开的同一发射台。

对此无可挑剔，这是一项非常非常酷的技术成就。但它也为了解进入太空、进入轨道和超越轨道的挑战提供了一些视角。

关于支持科学新闻报道

如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保关于塑造我们当今世界的发现和想法的有影响力的故事的未来。

让我们非常简单地分解这个问题，从我有时在教授太空飞行基础知识时使用的一张幻灯片开始。

最终的方程式代表了极端情况，全力以赴。如果您想完全逃离地球，一次弹道发射到行星际空间，您需要快速达到速度 v_e - 大约为每秒 11.2 公里（40,300 公里/小时）。

当然，您不必这样做。只要您的火箭能够提供一个大于引力向下拉力的向上力，缓慢地爬出深空完全没有问题。

但这与达到低地球轨道相比如何呢？就维持在行星上方某个高度 h_orbit 的圆形轨道所需的速率而言，下一张幻灯片说明了一切

这似乎很有希望，您只需要达到大约 70% 的逃逸速度即可保持轨道。如果我们忽略获得轨道高度（以摆脱大气阻力）所需的能量，仅达到该轨道速度所需的能量约为完全逃逸所需能量的 50%。

但是，这与达到亚轨道点相比如何呢？换句话说，就是蓝色起源所做的事情，基本上是直线向上发射，然后再落回地面。

我不会在此列出详细信息，但计算很简单；我们可以简单地询问物体在地球表面上方某个高度和地球表面之间的引力势能差异。对于 100 公里的短途飞行，这种能量变化约为达到逃逸速度所需能量的 1.5%，或约为建立轨道所需能量的 3%。

换句话说，从进行 100 公里的亚轨道“坠落”到进入近地轨道，能量预算大约增加了 32 倍。而且这个数字没有考虑到您如何设法消耗能量，以及推进的所有低效率和阻碍力（如大气摩擦）都会增加到配方中。进入轨道的火箭必须更大更强大 - 问问Space X 就知道了。

被深深地困在引力井中，头上笼罩着一层大气层，可能是我们进化以及之前四十亿年生物进化的关键要素，但当涉及到进入太空时，这确实很糟糕。