要實(shí)現(xiàn)宇航夢(mèng)想，必須掌握天體力學(xué)知識(shí)，知道怎么走出去、去哪里，然后才可以去探索那廣袤、未知的領(lǐng)域，宇航夢(mèng)想的終極目的之一，除了尋找人類生存的意義以外，就是延續(xù)人類的未來，“狡兔三窟”，人類只有一個(gè)地球，這一點(diǎn)安全感沒有，必須發(fā)展宇航科技，在無垠太空尋找第二家園，實(shí)現(xiàn)人類文明的延續(xù)...

天體與力學(xué)

• 宇宙速度（Cosmic Velocity）

宇宙速度是從地球表面向宇宙空間發(fā)射人造地球衛(wèi)星、行星際和恒星際飛行器所需的最低速度。人造衛(wèi)星所以能圍繞地球運(yùn)行是因?yàn)橛星‘?dāng)?shù)乃俣?，如果速度不夠大，就?huì)落回原地；如果速度過大，則會(huì)脫離地球引力場(chǎng)或太陽引力場(chǎng)。根據(jù)向心力恰好等于重力，可以推導(dǎo)

第一宇宙速度v1=7.9km/s

航天器（如繞地衛(wèi)星）沿地球表面作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)必須具備的速度，也叫環(huán)繞速度。按照力學(xué)理論可以計(jì)算出v1=7.9km/s。

第二宇宙速度v2=11.2km/s

航天器（如探測(cè)器）超過第一宇宙速度v1達(dá)到一定值時(shí)，它就會(huì)脫離地球的引力場(chǎng)而成為圍繞太陽運(yùn)行的人造行星，這個(gè)速度就叫做第二宇宙速度，亦稱脫離(地球)速度。按照力學(xué)理論可以計(jì)算出第二宇宙速度v2=11.2km/s。

第三宇宙速度v3=16.7km/s

航天器（如水手號(hào)）從地球表面發(fā)射，飛出太陽系，到浩瀚的銀河系中漫游所需要的最小速度，就叫做第三宇宙速度。按照力學(xué)理論可以計(jì)算出第三宇宙速度v3=16.7km/s。

關(guān)于科幻電影《流浪地球》，相關(guān)的一些難題在于：

1. 讓整個(gè)地球達(dá)到第三宇宙速度v3=16.7km/s，才可能飛出太陽系，去往比鄰星，這種動(dòng)力似乎在地球上還沒有；

2. 經(jīng)過木星旁邊，地球估計(jì)要到處巖漿濺射火山爆發(fā)，類似木衛(wèi)一（IO)；

3. 4光年的距離，即使幾百年，光照有很大問題，沒有農(nóng)作物，人口無法支撐。

第四宇宙速度v4=115km/s

航天器離開銀河系的最小速度。科學(xué)家根據(jù)目前所知的知識(shí)進(jìn)行推測(cè)，其中科學(xué)家推算出，人類如果想要離開銀河系，那么速度必須達(dá)到v4=115km/s左右，這個(gè)速度也就是第四宇宙速度。

第五宇宙速度v5=1500km/s

航天離開由銀河系、仙女系等星系組成的本星系的最小速度，這個(gè)速度為v5=1500km/s。而人類如果達(dá)到第六宇宙速度的話，那么人類將可能掙脫宇宙的引力束縛，但是由于至今我們都無法知道宇宙的邊緣在哪和宇宙的質(zhì)量是多少，因而科學(xué)家也無法估計(jì)出第六宇宙速度，但估計(jì)肯定要超過光速。

• 拉格朗日點(diǎn)(Lagrangian Points)

拉格朗日點(diǎn)對(duì)于放置人造衛(wèi)星、天文望遠(yuǎn)鏡等人造天體具有非常重要的意義。在天體力學(xué)中是限制性三體問題的五個(gè)特解。一個(gè)小物體在兩個(gè)大物體的引力作用下在空間中的一點(diǎn)，在該點(diǎn)處，小物體相對(duì)于兩大物體基本保持靜止。

L1

在M1和M2兩個(gè)大天體的連線上，且在它們之間。在L1點(diǎn)，物體的軌道周期恰好等于地球的軌道周期。太陽及日光層探測(cè)儀（SOHO）即圍繞日-地系統(tǒng)的L1點(diǎn)運(yùn)行。

L2

在兩個(gè)大天體的連線上，且在較小的天體一側(cè)。在L2點(diǎn)，軌道周期變得與地球的相等。在L2點(diǎn)衛(wèi)星消耗很少的燃料即可長(zhǎng)期駐留，是探測(cè)器、天體望遠(yuǎn)鏡（如JWST望遠(yuǎn)鏡）定位和觀測(cè)太陽系的理想位置。

L3

在兩個(gè)大天體的連線上，且在較大的天體一側(cè)。 第三個(gè)拉格朗日點(diǎn)，L3，位于太陽的另一側(cè)，比地球距太陽略微遠(yuǎn)一些。地球與太陽的合拉力再次使物體的運(yùn)行軌道周期與地球相等。

L4/L5

在以兩天體連線為底的等邊三角形的第三個(gè)頂點(diǎn)上，且在較小天體圍繞兩天體系統(tǒng)質(zhì)心運(yùn)行軌道的前方。其旋轉(zhuǎn)周期與質(zhì)量較小天體相同并達(dá)成軌道平衡。該系統(tǒng)中，兩大物體和L4點(diǎn)上物體圍繞質(zhì)心旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)中心與質(zhì)心重合。事實(shí)上，L4與L5點(diǎn)上的物體的質(zhì)量必須小到可忽略。L4和L5點(diǎn)有時(shí)被稱為三角拉格朗日點(diǎn)或特洛伊點(diǎn)。

航天與科技

• 軌道轉(zhuǎn)移（Transfer Orbit）

航天器從初始軌道或停泊軌道過渡到工作軌道的中間軌道。航天器在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力作用下實(shí)現(xiàn)軌道變換，簡(jiǎn)稱變軌。從地球發(fā)射航天器，當(dāng)運(yùn)載火箭無法直接將航天器送入預(yù)定軌道時(shí)，這就需要借助于轉(zhuǎn)移軌道，將航天器送入預(yù)定軌道。行星探測(cè)器、月球探測(cè)器、離地球較遠(yuǎn)的人造地球衛(wèi)星，都要經(jīng)過轉(zhuǎn)移軌道才能到達(dá)預(yù)定目標(biāo)軌道。

• 引力彈射（Slingshot Effect）

在發(fā)生深空飛行器的時(shí)候，經(jīng)常會(huì)利用行星的引力，來加速（彈射）飛行器，如旅行者號(hào)、新地平線號(hào)等等飛行器，均使使用一定角度飛向巨大的行星，然后被行星一種牽拽力，向前拋出，一種借力彈射的效果。

• 人造衛(wèi)星（Satellites）

對(duì)于繞地球運(yùn)行的航天器來說，在按軌道高度分類時(shí)，可以分為近地軌道、中軌道和高軌道三種。軌道高度較低的對(duì)地衛(wèi)星軌道（通常軌道高度<2000千米）稱作近地軌道；軌道高度較高的對(duì)地衛(wèi)星軌道（通常遠(yuǎn)地點(diǎn)高度>3000千米）稱作高軌道，軌道高度介于高軌道和近地軌道之前的軌道稱作中軌道。

[1] 近地軌道(Low Earth Orbit)

近地軌道上運(yùn)行著的國(guó)土普查、氣象、資源、通信等各種用途的衛(wèi)星，在近地軌道上仍有稀薄的大氣，在近地軌道上運(yùn)行的航天器（如運(yùn)行在高度約394km的中國(guó)“天宮2號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室）受到大氣阻力的作用，軌道會(huì)逐步衰減，即軌道高度會(huì)逐步降低，為了使它能在設(shè)計(jì)的高度上運(yùn)行，需要對(duì)航天器定期或不定期進(jìn)行軌道維持。

[2] 同步衛(wèi)星（Geostationary Satellite）

衛(wèi)星的軌道周期等于地球在慣性空間中的自轉(zhuǎn)周期（23小時(shí)56分4秒）的叫做地球同步衛(wèi)星， 衛(wèi)星在每天同一時(shí)間的星下點(diǎn)軌跡相同，當(dāng)軌道與赤道平面重合時(shí)叫做地球靜止軌道，即衛(wèi)星與地面的位置相對(duì)保持不變，軌道高度在約35786km的地球靜止軌道（同步軌道）就屬于高軌道。

夢(mèng)想與成果

• 航天飛機(jī)（Space Shuttle）

航天飛機(jī)是一種有人駕駛、可重復(fù)使用的、往返于太空和地面之間的航天器。它既能像運(yùn)載火箭那樣把人造衛(wèi)星等航天器送入太空，也能像載人飛船那樣在軌道上運(yùn)行，還能像滑翔機(jī)那樣在大氣層中滑翔著陸。可惜，由于多次事故，航天飛機(jī)已經(jīng)全部退役。

• 宇宙飛船（ Space Craft)

一種運(yùn)送航天員、貨物到達(dá)太空并安全返回的航天器。宇宙飛船可分為一次性使用與可重復(fù)使用兩種類型。用運(yùn)載火箭把飛船送入地球衛(wèi)星軌道運(yùn)行，然后再入大氣層。飛船上除有一般人造衛(wèi)星基本系統(tǒng)設(shè)備外，還有生命維持系統(tǒng)、重返地球的再入系統(tǒng)，回收登陸系統(tǒng)等。

• 空間站（Space Station）

一種在近地軌道長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行、可供多名 航天員巡訪、長(zhǎng)期工作和生活的載人航天器?？臻g站分為單模塊空間站和多模塊空間站兩種。單模塊空間站可由航天運(yùn)載器一次發(fā)射入軌，多模塊空間站則由航天運(yùn)載器分批將各模塊送入軌道，在太空中將各模塊組裝而成。在空間站中要有人能夠生活的一切設(shè)施，空間站不具備返回地球的能力。

• 月球探測(cè)（Lunar Exploration）

[1] 阿波羅11號(hào)（Apollo 11）

NASA阿波羅計(jì)劃的第五次載人任務(wù)，是人類第一次成功的登月任務(wù)，三位執(zhí)行此任務(wù)的宇航員分別為指令長(zhǎng)（Commander）阿姆斯特朗（Neil Armstrong ）和指令艙駕駛員 邁克爾·科林斯（Michael Collins）以及登月艙駕駛員巴茲·奧爾德林（ Buzz Aldrin）。1969年7月21日， 阿姆斯特朗和奧爾德林成為了首次踏上月球的人類。

尼爾·阿姆斯特朗：個(gè)人的一小步，人類的一大步。（Neil Armstrong：That's one small step for a man, one giant leap for mankind.）

[2] 嫦娥4號(hào)（Change 4）

嫦娥4號(hào)中國(guó)2019/01/03軟著陸實(shí)現(xiàn)了人類探測(cè)器首次月背軟著陸，首次月背與地球的中繼通信。 作為世界首個(gè)在月球背面軟著陸和巡視探測(cè)的航天器，其主要任務(wù)是著陸月球表面，繼續(xù)更深層次更加全面地科學(xué)探測(cè)月球地質(zhì)、資源等方面的信息，完善月球的檔案資料。

• 行星探測(cè)（Planetary Exploration）

迄今為止，人類已經(jīng)實(shí)現(xiàn)過對(duì)太陽系地外各類星體的探測(cè)任務(wù)，包括太陽、水星、金星、月球、火星、小行星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星、彗星等，隨著人類宇航科技的不斷進(jìn)步，將來實(shí)現(xiàn)對(duì)其他行星、衛(wèi)星的登陸、探測(cè)、研究乃至移民，都是可以被想象的。

太陽（Sun）：9次任務(wù)水星（Mercury）：2次任務(wù)金星（Venus）：43次任務(wù)月球（Moon）：74次任務(wù)火星（Mars）：40次任務(wù)小行星（Asteroid）：17次任務(wù)木星（Jupiter）：9次任務(wù)土星（Saturn）：5次任務(wù)天王星（Uranus）：1次任務(wù)海王星（Neptune）：1次任務(wù)冥王星（Pluto）：1此任務(wù)

• 星際探測(cè)（Interstellar Exploration）

到目前，旅行者號(hào)（Voyager1/2）已經(jīng)飛出了太陽系，在1光年以外，飛出了太陽系的邊緣，飛行在星際空間（恒星之間的廣大空間），漫游在宇宙中，也許哪天被另外一個(gè)文明捕獲，獲得了人類坐標(biāo)，然后找到我們。當(dāng)然，希望是在一種和平的氣氛中相見....

過去、現(xiàn)在與未來

• 過去：太空競(jìng)賽（ Space Race）

20世紀(jì)中下葉，美國(guó)和前蘇聯(lián)在冷戰(zhàn)時(shí)期為了爭(zhēng)奪航天實(shí)力的最高地位而展開的競(jìng)賽。第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，太空競(jìng)賽取得了開拓性的成果，如向月球、金星、火星發(fā)射人造衛(wèi)星，無人駕駛空間探測(cè)器，以及向近地軌道和月球發(fā)射載人飛船。

1957年10月4日，斯普特尼克1號(hào)的軌道運(yùn)行使蘇聯(lián)此次贏得了勝利。1961年4月12日，尤里·加加林成為首次進(jìn)入太空的人類成員，使蘇聯(lián)再次打敗美國(guó)。1969年7月20日，伴隨美國(guó)阿波羅11號(hào)完成人類第一次登月任務(wù)，太空競(jìng)賽達(dá)到頂峰。1972年4月，阿波羅-聯(lián)盟測(cè)試計(jì)劃達(dá)成合作協(xié)議，并在1975年7月，美國(guó)航天人員與蘇聯(lián)航天人員在地球軌道相遇，雙方局面得到一定時(shí)期的緩和。

錯(cuò)誤的原因，得到一個(gè)正確的結(jié)果！希望新一輪的“太空競(jìng)賽”能在中美之間展開，加快推進(jìn)已經(jīng)逐漸停滯的向太空邁進(jìn)的步伐！

• 現(xiàn)在：太空垃圾（Space Debris）

自上世紀(jì)20世紀(jì)50年代人類已經(jīng)發(fā)射了四千多次航天運(yùn)載火箭。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，太空中現(xiàn)有直徑大于10cm的太空垃圾九千多個(gè)，大于1.2cf的有10萬個(gè)以上，而漆片和固體推進(jìn)劑塵粒等微小顆粒個(gè)能數(shù)以百萬計(jì)。這些垃圾除了墜入大氣層的以外，其他的垃圾等待清理，以便避免對(duì)運(yùn)行的衛(wèi)星產(chǎn)生威脅。

• 未來：太空移民（Space Colony）

由于世界人口急劇膨脹，地球變得越來越擁擠，于是科學(xué)家們提出了建立太空城的設(shè)想?？茖W(xué)家擬建的太空城，一種設(shè)計(jì)方案是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的圓筒，圓筒的一端對(duì)著太陽，另一頭為半球形，一座半徑為100米、長(zhǎng)為4000米的圓筒太空城可容納大約1萬名居民。

另外一種方法，在災(zāi)難發(fā)生之前，未雨綢繆，是人類區(qū)別與動(dòng)物的最大特點(diǎn)之一。移民火星、土衛(wèi)二(Europa)、土衛(wèi)六(Titan)等：先發(fā)送機(jī)器人登錄這些行星或衛(wèi)星，然后指令機(jī)器人下鉆洞穴，搭建基礎(chǔ)設(shè)施，尋找水源，利用核能或太陽能進(jìn)行地下種植，接著傳送人類到此移民，逐漸再改造地表和大氣環(huán)境，最終使得殖民地類似地球環(huán)境，再大批量殖民。詳見科技幻想（六）未來：人類移民外星