基礎火箭科學：亞軌道與軌道飛行

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私營太空企業藍色起源於2015年11月23日創造了歷史，成功發射、再入和著陸了其完全可重複使用的載人火箭。

該專案的單級運載火箭將一個原型6人模組提升到大約100公里（330,000英尺）的高度。該模組重返大氣層並展開降落傘進行 сухое 著陸，而火箭則進行了非凡的自由落體和動力著陸，返回到不久前離開的同一發射臺。

對此無可挑剔，這是一項非常非常酷的技術成就。但它也為了解進入太空、進入軌道和超越軌道的挑戰提供了一些視角。

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讓我們非常簡單地分解這個問題，從我有時在教授太空飛行基礎知識時使用的一張幻燈片開始。

最終的方程式代表了極端情況，全力以赴。如果您想完全逃離地球，一次彈道發射到行星際空間，您需要快速達到速度 v_e - 大約為每秒 11.2 公里（40,300 公里/小時）。

當然，您不必這樣做。只要您的火箭能夠提供一個大於引力向下拉力的向上力，緩慢地爬出深空完全沒有問題。

但這與達到低地球軌道相比如何呢？就維持在行星上方某個高度 h_orbit 的圓形軌道所需的速率而言，下一張幻燈片說明了一切

這似乎很有希望，您只需要達到大約 70% 的逃逸速度即可保持軌道。如果我們忽略獲得軌道高度（以擺脫大氣阻力）所需的能量，僅達到該軌道速度所需的能量約為完全逃逸所需能量的 50%。

但是，這與達到亞軌道點相比如何呢？換句話說，就是藍色起源所做的事情，基本上是直線向上發射，然後再落回地面。

我不會在此列出詳細資訊，但計算很簡單；我們可以簡單地詢問物體在地球表面上方某個高度和地球表面之間的引力勢能差異。對於 100 公里的短途飛行，這種能量變化約為達到逃逸速度所需能量的 1.5%，或約為建立軌道所需能量的 3%。

換句話說，從進行 100 公里的亞軌道“墜落”到進入近地軌道，能量預算大約增加了 32 倍。而且這個數字沒有考慮到您如何設法消耗能量，以及推進的所有低效率和阻礙力（如大氣摩擦）都會增加到配方中。進入軌道的火箭必須更大更強大 - 問問Space X 就知道了。

被深深地困在引力井中，頭上籠罩著一層大氣層，可能是我們進化以及之前四十億年生物進化的關鍵要素，但當涉及到進入太空時，這確實很糟糕。