航天知识竞赛参考知识
第二部分
地球是人类的摇篮。人类决不会永远躺在这个摇篮里，而会不断地探索新的天体和空间。人类首先将小心翼翼穿过大气层，再然后去征服太阳系空间。
——齐奥尔科夫斯基
一、基础知识
所谓“航天”，就是人类冲出地球大气层，到宇宙太空中去活动，即宇宙航行。它所使用的是航天器及其运载火箭。在谈航天知识之前，先看几个基本概念。
人类的航天活动，并不是一味地要逃离地球。特别是当前的应用航天器，需要绕地球飞行，即让航天器作圆周运动。众所周知，必须始终有一个力作用在航天器上。其大小等于该航天器运行线速度的平方乘以其质量再除以公转半径，即F=mv2/R.在这里，正好可以利用地球的引力。因为地球对物体的引力，正好与物体作曲线运动的离心力方向相反。
第一宇宙速度（又称环绕速度）：是指物体紧贴地球表面作圆周运动的速度(也是人造地球卫星的最小发射速度)。大小为7.9km/s ——计算方法是V=gR (g是重力加速度，R是星球半径)。
第二宇宙速度（又称脱离速度）：是指物体完全摆脱地球引力束缚，飞离地球的所需要的最小初始速度。大小为11.2km/s。
第三宇宙速度（又称逃逸速度）：是指在地球上发射的物体摆脱太阳引力束缚，飞出太阳系所需的最小初始速度。其大小为16.7千米/秒。
环绕速度和逃逸速度也可应用于其他天体。例如计算火星的环绕速度和逃逸速度，只需要把公式中的M,R,g换成火星的质量、半径、表面重力加速度即可。
人造地球卫星轨道
人造地球卫星轨道就是人造地球卫星绕地球运行的轨道。这是一条封闭的曲线。这条封闭曲线形成的平面叫人造地球卫星的轨道平面，轨道平面总是通过地心的。
人造地球卫星轨道按离地面的高度，可分为低轨道、中轨道和高轨道；按形状分可分为圆轨道和椭圆轨道；按飞行方向分可分为顺行轨道（与地球自转方向相同）、逆行轨道（与地球自转方向相反）、赤道轨道（在赤道上空绕地球飞行）和极轨道（经过地球南北极上空）。人造地球卫星还有以下几种特殊轨道。
地球同步轨道。卫星在顺行轨道上绕地球运行时，其运行周期（绕地球一圈的时间）与地球的自转周期相同。这种卫星轨道叫地球同步轨道。
地球静止卫星轨道。如果地球同步轨道卫星正好在地球赤道上空离地面35786千米的轨道上绕地球运行，由于它绕地球运行的角速度与地球自转的角速度相同，从地面上看去它好像是静止的，这种卫星轨道叫地球静止卫星轨道。地球静止卫星轨道是地球同步轨道的特例，它只有一条。
太阳同步轨道。由于地球扁率（地球不是圆球形，而是在赤道部分隆起），卫星轨道平面绕地球自转轴旋转。如果卫星轨道平面绕地球自转轴的旋转方向和角速度与地球绕太阳公转的方向和平均角速度相同，则这种卫星轨道叫太阳同步轨道。
人造地球卫星按运行轨道可以分为：低轨道卫星的轨道高度为200～2000千米；中高轨道卫星的轨道高度为2000～20000千米；地球静止轨道卫星的轨道高度为35786千米，位于赤道上空。人造地球卫星绕地球运行遵循开普勒行星运动三定律。
开普勒三定律
成百上千个人造卫星都在绕地球运动着，它们纪律严明，各有轨道，但却遵循着共同的规律。人类在长期观察、记录、总结行星运动的过程中，得出出关于行星运动的三条定律－开普勒三定律，这三条定律同样适用于月球、人造卫星绕地球的运动。
（1）行星绕太阳运动的轨道是一个椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点上。人造地球卫星绕地球运动的轨道也是一个椭圆，地球在椭圆的一个焦点上。在很多情况下，可以将卫星轨道近似看作一个圆。
（2）行星和太阳的连线称为向径r，在相等的时间内向径扫过的椭圆面积相等。由此可知，卫星沿椭圆运动时，速度大小并不相等，在近地点附近速度大，在远地球附近速度小。
（3）行星运行周期的平方和轨道半长轴的立方成正比。卫星在轨道上运动一周所需要的时间称为周期，常用Ｔ表示，由万有引力定律和开普勒定律可以求出：Ｒ是地球的半径，约等于６４００千米，Ｈp、ＨA为卫星在近地点、远地点距地球表面的高度。gO为地面处的重力加速度，即在地面附近物体在地球引力作用下下落的加速度，一般都取go＝９.８米／秒2。如果轨道为圆，则有h是卫星距地面的高度。若卫星的高度不同，h远远小于Ｒ，可近似有h/Ｒ=０，那么，由此可知，在近地空间运动的卫星绕地球运动一周需要８５分－９０分，离地球越远，周期越长。
不过，宇宙航行的范围过于宽广。我们知道，地球只不过是太阳系九大行星中一颗中等大小的行星，与太阳的距离约1.5亿千米，即1天文单位。而最远的冥王星，离太阳近40天文单位。如果以彗星的活动范围计算，太阳系的半径为23万天文单位。但太阳只不过是银河系中一颗中等大小的恒星，银河系中有1000多亿颗恒星，银河系的半径达5万光年。光年是光行进1年的距离，光速为30万千米/秒，1光年大约是10万亿千米。可是，在宇宙中，有1000多亿个像银河系一样的星系，统称河外星系，宇宙的尺度以100亿光年计算。
宇宙速度
物体在地球表面上飞行时，达到11.2千米/秒的运动速度，就能摆脱地球引力的束缚，这个速度叫脱离速度或逃逸速度。在摆脱地球束缚的过程中，在地球引力的作用下它并不是直线飞离地球，而是按抛物线飞行。脱离地球引力后在太阳引力作用下绕太阳运行。若要摆脱太阳引力的束缚飞出太阳系，物体的运动速度必须达到16.7千米/秒。那时将按双曲线轨迹飞离地球，而相对太阳来说它将沿抛物线飞离太阳。
物体在地球表面上飞行时，达到11.2千米/秒的运动速度，就能摆脱地球引力的束缚，这个速度叫脱离速度或逃逸速度。在摆脱地球束缚的过程中，在地球引力的作用下它并不是直线飞离地球，而是按抛物线飞行。脱离地球引力后在太阳引力作用下绕太阳运行。若要摆脱太阳引力的束缚飞出太阳系，物体的运动速度必须达到16.7千米/秒。那时将按双曲线轨迹飞离地球，而相对太阳来说它将沿抛物线飞离太阳。
人类的航天活动，并不是一味地要逃离地球。特别是当前的应用航天器，需要绕地球飞行，即让航天器作圆周运动。众所周知，必须始终有一个力作用在航天器上。其大小等于该航天器运行线速度的平方乘以其质量再除以公转半径，即F=mv2/R.在这里，正好可以利用地球的引力。因为地球对物体的引力，正好与物体作曲线运动的离心力方向相反。
宇宙速度是物体从地球出发，在天体的重力场中运动，四个较有代表性的初始速度。航天器按其任务的不同，需要达到这四个宇宙速度的其中一个。
第一宇宙速度（又称环绕速度）：是指物体紧贴地球表面作圆周运动的速度(也是人造地球卫星的最小发射速度)。大小为7.9km/s ——计算方法是V=gR (g是重力加速度，R是星球半径)。
第二宇宙速度（又称脱离速度）：是指物体完全摆脱地球引力束缚，飞离地球的所需要的最小初始速度。大小为11.2km/s。
第三宇宙速度（又称逃逸速度）：是指在地球上发射的物体摆脱太阳引力束缚，飞出太阳系所需的最小初始速度。其大小为16.7千米/秒。
环绕速度和逃逸速度也可应用于其他天体。例如计算火星的环绕速度和逃逸速度，只需要把公式中的M,R,g换成火星的质量、半径、表面重力加速度即可。
人造地球卫星轨道
人造地球卫星轨道就是人造地球卫星绕地球运行的轨道。这是一条封闭的曲线。这条封闭曲线形成的平面叫人造地球卫星的轨道平面，轨道平面总是通过地心的。
人造地球卫星轨道按离地面的高度，可分为低轨道、中轨道和高轨道；按形状分可分为圆轨道和椭圆轨道；按飞行方向分可分为顺行轨道（与地球自转方向相同）、逆行轨道（与地球自转方向相反）、赤道轨道（在赤道上空绕地球飞行）和极轨道（经过地球南北极上空）。人造地球卫星还有以下几种特殊轨道。
地球同步轨道。卫星在顺行轨道上绕地球运行时，其运行周期（绕地球一圈的时间）与地球的自转周期相同。这种卫星轨道叫地球同步轨道。
地球静止卫星轨道。如果地球同步轨道卫星正好在地球赤道上空离地面35786千米的轨道上绕地球运行，由于它绕地球运行的角速度与地球自转的角速度相同，从地面上看去它好像是静止的，这种卫星轨道叫地球静止卫星轨道。地球静止卫星轨道是地球同步轨道的特例，它只有一条。
太阳同步轨道。由于地球扁率（地球不是圆球形，而是在赤道部分隆起），卫星轨道平面绕地球自转轴旋转。如果卫星轨道平面绕地球自转轴的旋转方向和角速度与地球绕太阳公转的方向和平均角速度相同，则这种卫星轨道叫太阳同步轨道。
人造地球卫星按运行轨道可以分为：低轨道卫星的轨道高度为200～2000千米；中高轨道卫星的轨道高度为2000～20000千米；地球静止轨道卫星的轨道高度为35786千米，位于赤道上空。人造地球卫星绕地球运行遵循开普勒行星运动三定律。
开普勒三定律
成百上千个人造卫星都在绕地球运动着，它们纪律严明，各有轨道，但却遵循着共同的规律。人类在长期观察、记录、总结行星运动的过程中，得出出关于行星运动的三条定律－开普勒三定律，这三条定律同样适用于月球、人造卫星绕地球的运动。
（1）行星绕太阳运动的轨道是一个椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点上。人造地球卫星绕地球运动的轨道也是一个椭圆，地球在椭圆的一个焦点上。在很多情况下，可以将卫星轨道近似看作一个圆。
（2）行星和太阳的连线称为向径r，在相等的时间内向径扫过的椭圆面积相等。由此可知，卫星沿椭圆运动时，速度大小并不相等，在近地点附近速度大，在远地球附近速度小。
（3）行星运行周期的平方和轨道半长轴的立方成正比。卫星在轨道上运动一周所需要的时间称为周期，常用Ｔ表示，由万有引力定律和开普勒定律可以求出：Ｒ是地球的半径，约等于６４００千米，Ｈp、ＨA为卫星在近地点、远地点距地球表面的高度。gO为地面处的重力加速度，即在地面附近物体在地球引力作用下下落的加速度，一般都取go＝９.８米／秒2。如果轨道为圆，则有h是卫星距地面的高度。若卫星的高度不同，h远远小于Ｒ，可近似有h/Ｒ=０，那么，由此可知，在近地空间运动的卫星绕地球运动一周需要８５分－９０分，离地球越远，周期越长。
不过，宇宙航行的范围过于宽广。我们知道，地球只不过是太阳系九大行星中一颗中等大小的行星，与太阳的距离约1.5亿千米，即1天文单位。而最远的冥王星，离太阳近40天文单位。如果以彗星的活动范围计算，太阳系的半径为23万天文单位。但太阳只不过是银河系中一颗中等大小的恒星，银河系中有1000多亿颗恒星，银河系的半径达5万光年。光年是光行进1年的距离，光速为30万千米/秒，1光年大约是10万亿千米。可是，在宇宙中，有1000多亿个像银河系一样的星系，统称河外星系，宇宙的尺度以100亿光年计算。