宇宙速度

宇宙速度（Cosmic velocity），天体力学术语，是指从地球表面向宇宙空间发射人造卫星、行星际和恒星际及以上飞行器所需的最低速度。

第一宇宙速度是人造卫星围绕地球表面作圆周运动时的速度，所以也被称之为环绕速度，值为7.9×103米/秒；第二宇宙速度是航天器脱离地球引力场所需的最低速度，值为11.2×103米/秒；第三宇宙速度是航天器脱离太阳引力场所需的最低速度，值为16.7×103米/秒。第一、二、三宇宙速度也被统称为三大宇宙速度，而第四、五、六宇宙速度暂时只能够估算。

1687年7月，艾萨克·牛顿完成了作品《自然哲学的数学原理》。该书以牛顿三大运动定律和万有引力为基础，建立了力学理论体系，解决了行星运动、落体运动等各种各样的问题，牛顿进而提出了环绕速度和对应的值。随着科学技术的发展，1957年10月4日夜晚，苏联成功发射了世界上第一颗人造卫星卫星一号。1959年1月2日，苏联发射月球一号卫星，这是人类第一次以第二宇宙速度使卫星掠过月球上空，成为太阳系中的第一颗人造小行星。而美国在1972年发射的先驱者10号，1973年发射的先驱者11号，以及1977年发射的旅行者1号探测器、旅行者二号卫星，都达到了第三宇宙速度。

定义

宇宙速度（Cosmic velocity）是从地球表面向宇宙空间发射人造卫星、行星际和恒星际及以上飞行器所需的最低速度。

简史

理论建立

德国天文学家J.开普勒仔细分析和计算了丹麦天文学家第谷·布拉赫对行星特别是火星的长时间的观测资料，总结出三个定律，即开普勒定律。前两条定律是在1609年出版的《新天文学》一书中提出的。第三条定律是在1619年出版的约翰尼斯·开普勒的另一著作《宇宙谐和论》一书中提出的。

1679年，罗伯特·胡克意识到引力的平方反比定律，但没法证明，便写信给牛顿，探听牛顿在引力问题上的虚实。牛顿作了回答。牛顿首先实现了在现象的动态研究上的突破，创制了表达因果性物理定律的必要工具——微积分，把反映物理量瞬时变化的运动规律赋予微分方程的形式并找出求解方法；其次把伽利略·伽利莱的实验结果，惯性原理和落体定律抽象外推，上升成为理论，提出牛顿三大定律，把表达时间、空间、质量和力四个独立概念的运动方程建立起来；最后，依据约翰尼斯·开普勒观察总结的行星运动三大定律推出万有引力，把地球吸引重物推广到地球吸引月球、太阳吸引行星、进而推广到一切天体运动。1687年7月，艾萨克·牛顿完成了作品《自然哲学的数学原理》。该书以牛顿三大运动定律和万有引力定律为基础，建立了完美的力学理论体系，说明了当时人们所能理解的一切力学现象，解决了行星运动、落体运动、振子运动、微粒运动、声音和波、潮涨潮落以及地球的扁圆形状等各种各样的问题。

发射卫星

在1928年，苏联就建立了“圣彼得堡空气动力实验室”，这个实验室就是专门研究火箭的机构。第二次世界大战中，1942年，德国人沃纳·冯·布劳恩设计出了最具现代火箭雏形的V-2火箭，其用途是从德国发射V-2火箭，飞越英吉利海峡轰炸英国。1957年10月4日夜晚苏联发射了世界上第一颗人造卫星卫星一号，和美国紧随其后于1958年2月1日发射卫星的运载火箭，都和V-2火箭有着分不开的关系。1959年1月2日，苏联发射月球一号卫星，就是人类第一次以第二宇宙速度使卫星掠过月球上空五六千千米的宇宙空间，永远脱离地球，成为太阳系中的第一颗人造小行星。

1972年3月和1973年4月美国先后发射的“先驱者10号”和“先驱者11号”，探测了木星和木星卫星及土星和土星卫星。“先驱者10号”于1973年12月飞近木星，行程10×109km，向地球发回300幅木星和木星卫星的照片，并利用木星引力场加速飞向土星，又借助土星引力场加速，于1986年10月越过冥王星的平均轨道成为第1个飞出太阳系的航天器。美国还在1977年8月20日从佛罗里达州向太空发射“航行者2号”飞船。依靠各个行星的引力，这艘飞船于1979年7月9日飞过木星，1981年8月25日飞过土星，1986年1月24日飞过天王星，并传回许多宝贵的图片和资料。于1989年8月24日午夜时分按期抵达距太阳系海王星4800km处，然后接近海王星的卫星。并向地球首次发回有关海王星的图片资料。这样，“航行者2号”经过12年飞行和72×109km行程，完成其主要使命后，仍将继续星际飞行，其寿命可达上百万年。“航行者2号”自重约670kg，由6.5万个零件组成，携带一具直径为3.65m的圆形天线和摄像机、紫外分光仪和红外分光仪等设备。目前，地面控制中心与这艘飞船的联系，每往返一次需8个小时。

分类

概述

人们通常把航天器达到环绕地球、脱离地球和飞出太阳系所需要的最小发射速度，分别称为第一宇宙速度、第二宇宙速度（和第三宇宙速度。人类已经比较精确地计算出其数值，但第四、五、六宇宙速度暂时只能够估算。

第一宇宙速度

人造卫星绕地球运动的圆形轨道半径等于地球半径时卫星所具有的速度。又称环绕速度。牛顿曾经计算水平抛出的石头永不落回地面的速度约8千米/秒。现代公认的第一宇宙速度值约等于7.9×103米/秒，这个数值可以由牛顿运动定律和万有引力计算得出。

第二宇宙速度

当航天器超过第一宇宙速度达到一定值时，它就会脱离地球的引力场而成为围绕太阳运行的人造行星，这个速度就叫做第二宇宙速度，亦称脱离速度。所谓摆脱地球束缚，就是几乎不受地球引力影响，这与处于离地球无穷远点的位置得情况等价。这里要注意，由于月球还未超出地球引力的范围，故从地面发射探月航天器，不需要达到第二宇宙速度v2，实际上其初始速度不小于10.848×103米/秒即可。

第三宇宙速度

从地球表面发射航天器，飞出太阳系，到浩瀚的银河系中漫游所需要的最小发射速度，就叫做第三宇宙速度。按照力学理论可以计算出第三宇宙速度V3=16.7×103米/秒。需要注意的是，这是选择航天器入轨速度与地球公转速度方向一致时计算出的V3值；如果方向不一致，所需速度就要大于16.7×103米/秒了。可以说，航天器的速度是挣脱地球乃至太阳引力的唯一要素，只有工质发动机（通常为多级火箭）才能突破该宇宙速度。

其他

第四宇宙速度，宇航学中的速度概念，即从地球表面发射探测太阳的飞行器，使之飞达太阳所需的发射速度，约为31.8×103米/秒。若要飞出本星系群，需达到第五宇宙速度。科学家通过对本星系群直径的研究测算，脱离本星系群来到室女座超星系团需要达到1500-2250×103米/秒。值得注意的是，要达到第五宇宙速度，首先必须突破第四宇宙速度。即使帕克太阳探测器曾达到200×103米/秒的速度，但这其实是叠加了太阳系绕银河系公转的速度（约220×103米/秒），其本体初始速度尚不足17×103米/秒。至于第六宇宙速度，本质上是趋近光速的概念——光速约为299792×103米/秒。这要求航天器在发射时就达到该量级速度，才能从本超星系团飞向更大的拉尼亚凯亚超星系团，并逐步接近可观测宇宙边缘。

推导过程

第一宇宙速度

人造卫星围绕地球表面作圆周运动时的速度。地球表面的赤道半径为6378千米，重力加速度为9.8米/秒。地心对卫星的引力使卫星产生向心加速度，按万有引力定律和牛顿第二运动定律（见万有引力和牛顿运动定律），有=（1）。式中为第一宇宙速度；和分别为卫星和地球的质量；为引力恒量。又因在地面上引力等于重力，即=（2）。故从(1)和(2)得到第一宇宙速度的值为：==7.9×103米/秒，当卫星速度超过第一宇宙速度时，轨道变为椭圆形；速度愈大，椭率也就愈大。

第二宇宙速度

航天器脱离地球引力场所需的最低速度。距地球中心为处的航天器具有引力势能=，按照机械能守恒定律，则有：=，式中为航天器脱离火箭以后的总机械能。当=0时，动能恰好克服势能，飞行器可能脱离地球引力场，这时=0，从而解得：=（3）。飞行器离地球愈远，即愈大，则愈小。到无穷远处=0，即动能为零。设飞行器刚脱离火箭时的，此时飞行器速度为第二宇宙速度，代入（3）式，得：==，由式（2）知=，代入上式后，得到第二宇宙速度的值为：==11.2×103米/秒。当=0时，轨道成为抛物线，航天器沿抛物线脱离地球引力场。从上式可以看到=，即:=:1。

第三宇宙速度

航天器脱离太阳引力场所需要的最低速度。已知脱离地球的速度与围绕地球的速度之比为:1，即可知脱离太阳的速度与围绕太阳的速度之比也为:1。地球围绕太阳的速度为：=29.77×103米/秒30×103米/秒，故地球脱离太阳所需的速度为：==42.1×103米/秒。事实上，航天器在脱离太阳引力场的同时还要脱离地球引力场（见图），其初速的动能必须克服地球和太阳的势力所作的功和。因此，航天器脱离太阳系的动能为：=+=+（4），式中为航天器脱离太阳系所需的速度。然而航天器是从地球上发射的，地球本身的速度是，故=-=12.33×103米/秒，代入式（4）得到第三宇宙速度，即==16.7×103米/秒。

应用

利用宇宙速度的原理可以应用于航天器。航天器的出现使人类的活动范围从地球大气层扩大到广阔无垠的宇宙空间，引起了人类认识自然和改造自然能力的飞跃。航天器在地球大气层以外运行，摆脱了大气的阻碍，可以接收到更多来自宇宙天体的电磁辐射信息，开辟了全波段天文观测；航天器从近地空间飞行扩展到行星际空间飞行，实现了对空间环境的直接探测、对月球和太阳系其他天体的逼近观测，着陆地外天体开展直接抽样观测甚至送回地球研究；环绕地球运行的航天器从几百千米到数万千米的距离观测地球，大范围和高效地收集有关地球陆地、海洋、大气和轨道的各种各样的辐射信息，直接服务于资源考察、气象观测、大地测量学、环境与灾害监测以及军事侦察等方面；人造卫星作为空间信息中继站，为各类用户提供覆盖全球的电话通信、电视广播、数据通信等信息服务业务；作为空间基准点，各类用户通过接收多颗卫星广播的其位置和时间信息，可以解算所在的地理位置，获得全球范围的导航服务；利用空间高真空、强辐射和失重等特殊环境，可以在航天器上进行各种重要的科学实验研究，可以进行航天器建造维护、物资补给再生、新原理和新方法等空间技术试验；利用载人航天器可以实地研究空间辐射环境和失重环境等对于人体的影响，提升人类适应长期飞行和探索太空的能力；将来利用载人航天器，可以将人类不仅送到月球，甚至其他行星，开展考察探索，扩展人类生存空间。

研究意义

对于宇宙速度的研究，可以促进人类航天事业的发展。航天活动借助航天器来实现。包括环绕地球的运行、飞往月球或各大行星的航行（包括环绕天体运行，从近旁飞过或在其上着陆）、行星际空间的航行和飞出太阳系的航行等。航天的基本条件是航天器达到足够的速度，克服、摆脱地球引力或太阳引力。宇宙速度是航天所需的特征速度。在相当长的时间内，航天基本上是在太阳系以内的航行活动。航天是20世纪科学技术进步和社会生产发展的结果，其作用远远超出科学技术领域，对政治、经济、军事以及人类社会生活都产生了持续性的影响。

万有引力定律介绍

万有引力（law of universal gravitation）是物体间相互作用的一条定律。任何物体之间都有相互吸引力，这个力的大小与各个物体的质量成正比例，而与它们之间的距离的平方成反比。如果用、表示两个物体的质量，表示它们间的距离，则物体间相互吸引力为：。式6.6725910-11千克-1·⽶3秒-2称为万有引力常数。I.牛顿利用万有引力定律不仅说明了行星运动规律，而且还指出木星、土星的卫星围绕行星也有同样的运动规律。他认为月球除了受到地球的引力外，还受到太阳的引力，从而解释了月球运动中早已发现的二均差、出差等。另外，他还解释了彗星的运动轨道和地球上的潮汐现象。宇宙速度正是根据万有引力定律和牛顿第二运动定律推导而来。1859年，法国天文学家U.-J.-J.奥本·勒维耶发现水星近日点进动速率的数值与用万有引力定律算得的数值有偏差。以后又有人陆续发现月球运动长期加速、星光在太阳附近弯曲等用万有引力无法解释的现象。20世纪以来，许多学者（如A.阿尔伯特·爱因斯坦等）又提出了各种新的引力理论。

参考资料

宇宙速度.中国大百科全书.2025-04-29

万有引力定律.中国大百科全书.2025-04-29

55年前的今天，中国“放卫星”！长文回顾一段传奇.百家号.2025-04-29

开普勒定律.中国大百科全书.2025-04-29

【科普】三大宇宙速度.微信公众平台.2025-04-29

The 6 major speeds of the universe, human beings have only reached the third, and when they reach the sixth, they can fly to the edge of the universe.inf.news.2025-04-30

航天器.中国大百科全书.2025-04-29

航天.中国大百科全书.2025-04-29