飞机一直垂直往上飞,为什么始终无法飞离地球?这里告诉你原因
大家坐飞机的时候有没有通过窗户看下面的云层,十分的漂亮,这个时候会不会有人突发奇想,飞机为什么不能突破地球飞到太空呢?
人类航天活动从50年代开始已经实施了70年,在这70年的时间里,人类科学家把数以百计的宇航员送上了太空,甚至送到了远离地球38万公里外的月球,这是一件非常了不起的事情,如今人类依然在进行着宇宙的探索,希望能够从宇宙中找到发展捷径,从而实现人类文明升级。
说到航天活动,我们似乎发现一个想不通的现象,那就是在航天活动中,不管是运送宇航员、还是发射卫星,又或者是运送物资,科学家使用的运输工具都是火箭或者航天飞机,可是火箭是不可回收的,航天飞机的飞行成本又极其高昂,导致人类航天活动成本很高。
有人就认为,为什么不使用客机或者运输机把宇航员或者物资运送到太空呢?把宇航员和物质送到了太空之后,飞机再飞回来,这样不仅可以实现飞机的循环利用?其实这样问题主要涉及这样一个问题,就是飞机到底能不能从地球飞到太空中去?
平时我们看到很轻的羽毛、气球、垃圾袋都能够挣脱地球引力束缚飞到空中,而飞机的动力那么强,速度那么快,飞行能力比羽毛、气球和垃圾袋强多了,飞机难道不可以飞到太空中吗?答案是不能的,主要有两个原因。
第一个原因:速度问题
在航天活动中经常需要用到三个宇宙速度进行参考,分别是第一宇宙速度、第二宇宙速度和第三宇宙速度。
第一宇宙速度就是可以围绕地球做匀速圆周运动的一个速度,这个速度为7.9公里每秒(约为2.8万公里每小时);第二宇宙速度为摆脱地球引力束缚飞到太阳系其他行星的最低飞行速度,但还无法摆脱太阳引力束缚,这个速度为11.2公里每秒(约为4万公里每小时);第三宇宙速度就是挣脱太阳引力束缚飞到系外空间最低飞行速度,速度为16.7公里每秒(6万公里每小时)。
其实还有一个重要的原因,那就是发动机不一样,地球上非航天活动的飞行器采用的发动机都是普通航空发动机,这些发动机燃烧的是航空燃油,燃烧航空燃油需要使用到氧气,可是地球的氧气是随着高度的增高而变少的,当达到2万米高空的时候,氧气已经非常稀薄了,这个时候就没有足够的氧气可以支撑发动机继续燃烧了,因此也就飞不起来了,这也就是为什么很多飞机的飞行高度被限制在20000米以下。
火箭、航天飞机这些飞行器不一样,它们用的是火箭发动机,火箭发动机一个重要的特征就是不需要氧气,因为这些发动机使用的燃料是液态氢等燃料,这些燃料不需要氧气就可以燃烧,因此不管飞多高,它们都不会因为缺氧而熄灭,这也是为什么载人航天、给国际空间站运送物资使用的都是火箭或航天飞机,因为发动机的性质完全不一样。
说到这里,有人会提出这样一个疑问,就是如果给羽毛提供一个永恒的力,它会摆脱地球引力束缚飞离地球最终飞到宇宙边界吗?
目前人类客机或者运输机的速度平均只有1000公里每小时,远低第一宇宙速度(时速2.8万公里),速度都达不到,怎么飞得到太空呢,目前人类制造的飞机除了个别达到第一宇宙速度外,大部分飞机都达不到第一宇宙速度,更不用说第二宇宙速度,所以速度的限制让飞机无法摆脱地球引力做圆周运动。
由于飞机速度低于第一宇宙速度,因此在飞机垂直向上飞行的时候,速度会越来越慢,直到飞机的动力小于地球引力,最终被地球引力拖回地面。
第二原因:发动机或燃料原因
在地球上也有一些飞机可以达到第一宇宙速度,比如美国的猎鹰HTV-2号超音速飞行器,时速达到20倍音速,1倍音速为1225公里每小时,20倍音速就相当于2.45万公里每小时,已经非常接近第一宇宙速度了,那么科学家为什么不用猎鹰HTV-2号超音速飞行器飞往太空呢?
如果给羽毛施加一个永恒的力,就相当给羽毛安装了一个永动发动机,羽毛是否可以摆脱地球引力,那就要看永动发动机提供的动力有多强,如果提供的动力始终大于地球引力,那么可以很轻松摆脱地球引力飞离地球,那么它可以飞多远呢?要想知道这根羽毛可以飞多远,那就要看安装在羽毛上的永动发动机是否可以自动调节。
如果羽毛飞出太阳系的时候就施加一个大于太阳引力的动力、飞出银河系的时候就施加一个大于银河系引力的动力,如果具备这种自我调节能力,那么理论上一直飞最终可以飞到宇宙边界的。
如果没有这种自我调节的能力,只是给一个固定的动力,那么即使飞离而来地球,也飞不出太阳系,即使飞出太阳系也飞不出银河系,除非最初施加的力就达到宇宙最快速度,不然羽毛可能会被太阳系困住,也有可能会被银河系困住,这样永远飞不到宇宙边界。