航天器发射技术：太阳系行星际探幽的可能性

在大气层内可以飞行，在大气层外空间也可以飞行。在大气层内飞行，就时刻离不开地球引力和空气对飞行器的作用，在大气层外空间飞行，又离不开星体间引力的相互作用。迄今，绝大部分的火箭与导弹都飞行于地球引力场中，地球引力场时刻都在制约着它们的飞行。

1.地球引力场

绝大部分的火箭与导弹都飞行于地球引力场中，地球引力场时刻都在制约着它们的飞行，因此有必要首先了解一下地球及其引力场。

地球是太阳系的九大行星之一^[1]，其在太阳系中的位置如图2.4所示。论体积它排第五，论质量它排第六。它极似圆球，但稍有扁平，又可称为椭球。赤道半径约为6 378 km，两极半径为6 357 km。地球的表面积为5.1亿km2，体积约为10 830亿km3，质量为60万亿亿t。

图2.4　太阳系

根据牛顿万有引力定律，地球表面上任一物体与地球间的吸引力为

式中，F为地球对物体的吸引力；m为物体的质量；R为地球半径；G为万有引力常数；GM为地球引力常数，GM＝398 600.5×109 m3／s2。

火箭、导弹在地球引力场内飞行时，同样始终受到地球的吸引力，其量值随着离地面高度的增加而减小，而且只要离地球不是无限远，它们就总要受到地球引力的作用。由于地球有自转，相对地球静止的物体会产生离心惯性力。通常所说物体所受的重力就是地球引力与离心惯性力的合力，在地球外任一物体的重力加速度即地球引力加速度和离心加速度之和。由于地球并非一个均质圆球，地球内部各部位的密度也不相同，因此，同一物体在不同地区所受的重力也不相同。

火箭、导弹及航天器要飞行，首先遇到的障碍就是地球引力。人类几千年来，很早就想飞上天，即使在自己的身上绑上了很大的翅膀，也飞不了多远就落下地来。这主要就是地球引力在作祟。从一个方面讲，当人们还没能创造出很高的速度时，地球引力就极大地制约了物体的飞行。当人们创造出了高速度之后，地球引力仍一直是飞行体为了保持飞行而必须克服或战胜的制约因素之一。为了解脱这种制约，就必须付出一定的代价。例如，飞机为了持续飞行，必须产生升力以抵消重力。但有升力就伴生阻力，为克服阻力就要耗费功率，这就是飞行要付出的代价。火箭、导弹在大气层中的飞行，道理相同。人造地球卫星虽然仍在地球引力场中飞行，但它靠自己获得的第一宇宙速度（8 km／s）可以不落地地环绕地球飞行不止，这时它的离心力正好抵消重力，而且在大气高层，几乎没有空气阻力的作用。再进一步讲，当卫星要逃离地球引力场时，它必须再提高自己的飞行速度，达到第二宇宙速度（12 km／s）就可以了。要想逃离太阳系，速度则要达到16.7 km／s。

火箭与导弹的发射点和目标点一般都在地球表面上，而且其最大飞行高度一般也都在地球引力场中和地球大气层内。但是运载火箭及航天器却飞行于外大气层甚至外部空间，而其目标点有的则为太阳系中的其他行星，有的甚至是银河系中的其他恒星。这就应当了解一下地球在宇宙中的位置。

地球是人类的摇篮，但人类不能永远生活在摇篮里。他们要去行星际旅行和安家，要去恒星际旅行和探索，还要去星系际旅行……宇宙是无限的！只要设想一下，在银河系周围5亿光年（一光年约等于9.5万亿km）的范围内，大约有1亿个河外星系，而每一个河外星系又都包含几亿到1 000亿个大大小小的“太阳”，就可知道银河系在宇宙中是多么渺小。而太阳只不过是银河系中约1 000亿颗恒星之一。银河系的最大直径约为84 000光年，最大厚度约为10 000光年。太阳系的边界无定论。据美国“旅行者”号航天器新近的探测分析，“日歇”（太阳系边缘）距太阳134亿～180亿km。地球这个直径才万余km的小星球，就是这样处在宇宙之中的，如同沧海之一粟，但正是地球所养育的人类，已开始了对宇宙深度的探索。

宇宙是无限的，人类的认识也是无限的，用无限的认识能力去揭示无限的宇宙并开发利用它们，这是人类伟大而神圣的使命。地球能养活的人数是有限的，但天疆育人则是无限的，从这个意义上讲，人类开辟通天路，架设星际桥，开发天疆以育人，正是人类繁衍生息、世代相继的必由之路。人类生存的空域是广阔的，随着时间的推移，人类的美好理想定能实现！回首现实，人类现在所能做到的还只是万里长征刚刚起步，尚处在极其初级的阶段。征服宇宙，踏上河外星系，来往于恒星际之间，那还是未来之事。人类首先能做到的是银河系中太阳系内的行星际探测、开发、定居和旅游。从图2.4来看，今后几十年内，以地球为基地，也可以以月球为基地，或以人造太空港为基地，实现太阳系内行星际探幽是完全可能的。目前来看，月球、火星和金星是要首先探测、开发和利用的。

2.地球大气环境

地球外面所包围着的那层大气，通常叫作大气层，其总厚度达3 000 km以上，整个大气层的大部分质量都集中在地球表面附近10～12 km的高度范围以内。在不同的高度段上，大气的特性是不同的。据此，可把大气层分为：对流层、平流层、中间层、热层（高温层）和外大气层（散逸层）。图2.5所示为地球大气环境的分层界面，给出了气体密度、压强、声速和温度随海拔高度的变化，同时给出了不同物体运行的高度区间。

1）大气结构

（1）对流层（Troposphere）。(www.xing528.com)

它是最贴近地球表面的一层，厚度为10～15 km。该层在两极最薄，赤道处最厚。对流层内大气的密度最大，该层的大气质量占全部大气的3／4。风、雨、霜、雪、冰雹、雷电等气象变化都发生在对流层内。该层内的大气压强、温度、密度以及声速等随高度的变化如图2.5所示。

（2）平流层（Stratosphere）。

对流层以上直到离地球表面约32 km的高度段称为平流层。在该层，25 km高度以下直至11 km的高度范围内，大气温度不随高度变化，其平均值为－56.5℃，故又称为同温层。该层以上至32 km高的一段内，大气温度随高度的增加而上升。平流层内大气质量约占全部大气质量的1／4。该层内没有水蒸气，也没有雨、雪、雷电等气象变化，而且没有大气的上下对流，只有水平方向的流动，故得名平流层。

图2.5　地球大气环境的分层界面

（3）中间层（Mesosphere）。

平流层以上直至离地球表面80 km高的一段称为中间层。该层内的大气质量只占大气总质量的1／3 000。该层内的大气参数随高度的变化如图2.5所示。

（4）热层（Thermosphere）。

中间层以上直到离地球表面400 km高的一段称为热层。该层内气温随高度的增加而上升，层顶温度高达摄氏千度以上，所以又称高温层，也称为暖层。出现高温是由于该层的气体非常稀薄，太阳的辐射作用非常强烈。这种辐射使大气分解成离子态，形成几个集中的电离层。最底层为“D”电离层，厚度约为20 km；第二层为“E”电离层，它在离地面100～120 km的高度范围内；第三层为“F1”电离层，离地表的高度为180～220 km；最上层为“F2”电离层。因此，又常称热层为电离层。

（5）外大气层（Exoatmosphere）。

热层以上，离地表约3 000 km以下，均属外大气层。该层内气体极为稀薄，气体分子少到每立方厘米只有105个以下，大约小于地面附近的270万亿分之一。该层离地面较远，地球引力较小，所以常有气体分子向星际空间逃逸，故该层又称为散逸层。该层内的大气质量只占整个大气质量的10－11。自然可以设想，该层内大气已经以气体分子的游离状态而存在了。其实，在离地表100 km高的地方，其大气密度已经是地面大气密度的百万分之一了，飞行器在这里飞行，它所承受的空气动力已经可以忽略不计了，在更高的空间里自不必说。

2）标准大气

地球大气状态参数（气压、温度、密度等）总的来看不是一种恒定状态，它们随高度的变化规律是受季节、昼夜和地理位置的影响而变化的。但人们在计算和评价飞机、火箭和导弹的飞行性能时应有一个标准，不能各行其是。这是就需要制订一套各地区、各国乃至国际的标准，于是就出现了“标准大气”。目前我国采用的是国际标准大气。这种标准大气通常参照某一地区（例如北纬35°～60°）的大气参数的平均值加以修订而成。形成标准大气时，遵守以下规定：

（1）空气被视为完全气体，其变化规律服从完全气体的状态方程。

（2）以海平面为零高度。在海平面上，空气的标准状态为：气温T＝15℃；气压P＝101 324 Pa；

（3）对流层的高度定为11 km。在对流层内，高度每上升1 km，温度下降6.5℃，在平流层内，海拔高于25 km后，气温随高度的增加而逐渐上升。

（4）为使用方便，通常将各高度的标准大气状态参数列成表格，叫作标准大气表，见附录。