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我们是地球上的囚犯。宇宙通过向我们展示我们永远不能到达的地方来嘲笑我们

但是，如果我们的种族希望拥有更长远的未来，我们就必须逃出这个牢笼

但是是什么在阻挡着我们?

原来是因为我们欠了宇宙一个长达45亿年的债

开头动画

在宇宙中,一切拥有质量的物体都会吸引其他拥有质量的物体

我们把这种现象称为引力

你距离一个高质量的物体越近,你所受到的引力越大

正是这个效应把我们困在了地球上

我们可以把这个想像成身处在一个重力监狱或者一个重力井中

这并不是一个真实的井,但这那让我们更加容易地明白背后的原理

身处在一个万有引力监狱中意味着你欠着重力债

但是你怎么可能会欠能量的债呢?

因为在我们的宇宙中,物体并不想改变他们的速度或者前进方向

为了说服他们挪窝,你需要付出能量

数十亿年前,万有引力吸引了数不清的宇宙尘埃

它们环绕着我们的太阳直到它们形成了一个星球

这个过程使用了很多的能量,造就了我们今天身处其中的重力井

你在重力井中的位置越深,你欠的重力债越多

如果你没有办法得到足够的能量,那你无论如何都无法离开

因为组成你身体的粒子曾经是那些宇宙花费了能量运送至此的尘埃

唔…让我们重新整理一下头绪

宇宙中的物体不喜欢移动,你需要付出能量来说服他们这样做

借助能量,万有引力让我们星球的各个部分组合在一起

这个过程创造了一个重力监狱,把我们困在其中

为了从中逃脱,我们需要付出能量

但是我们应该怎样做?

为了进入外层空间,我们需要经历一系列复杂的能量交换过程

为了达到这个目的,我们建造了一个负能量势能装置

它有另外一个更加广为人知的名字——火箭

火箭借助于一些人类所知道的最强大的化学反应工作

这些反应可以被比较简单的解释为可控的燃料爆燃过程

这个过程可以将化学能量转化为动能

这些反应放出的气体被向外排出

推动火箭离开地球

通过付出庞大的能量,我们提高了火箭的重力势能

这就是我们偿还重力债的比较完整而复杂的解释

但这一过程实际上要棘手得多

在燃烧燃料来进入轨道的过程中,很多的能量损失在放热、排气和大气层磨擦中

所以你实际上需要更多的能量

而且你也并不能简单的把一些具有放射性而且易爆的危险燃料堆在

你的运载物下面然后引爆它们

你需要一个复杂而可控的燃烧过程,而这会增加火箭的重量

也就代表着它有更高的质量

一个物体的质量越高,你为了移动它所付出的能量就越多

所以你就需要更多的染料来推动你的火箭

但是,如果你需要更多的燃料,那就意味着你需要更大的火箭来携带它们

但是,这又会让你的火箭更重,也就需要更多的燃料,这又会需要更大的火箭

如此循环下去……

这样一个疯狂的循环过程之后,你的火箭的重量需要达到运载物本身重量的一百倍

以 Ariane 6 (欧洲的火箭)为例,800吨的重量

能够运送10吨的货物到达地球同步轨道,或者20吨的货物到达地球中轨道

但一枚火箭所提供的推力是有限的,所以它本身的重量有一个最大上限,如果超过这个上限,它将无法起飞

如果你添加了太多重量，火箭就无法起飞。所以,你不可以只是不停地增大燃料箱的体积

这就是这一系列火箭等式中最让人头疼的地方,同时这也就代表着空间旅行绝不会是什么易事

等等,还有更糟的

进入外层空间依然不够,在外层空间的边缘,你依然身处重力井中

最终你将落回地球

停留在外层空间远比到达那里更难

为了停留在一个稳定的位置,一枚火箭必须到达地球低轨道

为了做到这一点,你需要非常庞大的动能,也就意味着需要达到一个很高的速度

在大约离地100 km处,这个速度是8 km/s

也就是28,000 km/h,这个速度足够让你在90分钟内环绕地球一周

这时,我们可以用一个小花招

与其笔直向上飞行,我可以向两旁飞行

地球是个球体

所以,如果你向两旁飞行,并且速度够高 (虽然你依然在向地球下落)

你依然可以离地很远

所以你只要能保持在大气层外 (大约 100 km高空外),你就可以停留在轨道中

这就是国际空间站为了保持速度所做的所做的 (绕着地球不断"下落",不时地消耗能量)

从远处看这些轨道,我们可以看到近地轨道与地球的距离近得吓人

为了向其它行星部署诸如人造卫星的飞行物,我们需要还另外的重力债

到达某一轨道是我们目前的空间旅行过程中最困难的部分

具体来说:如果我们想向火星发射一枚火箭,这一过程中一半的能量消耗将用于进入轨道

而另外一半将用于前往火星的五千五百万公里旅程

所以,为了尽可能的提高效率,火箭并不会制作成完整的一根

而是会制作为多级火箭。我们没有必要携带空燃料箱,所以火箭会将之丢弃

今天所使用的火箭,在成功达到某一阶段之后就会抛弃前一阶段使用的助推器和箭体

使用这一段箭体的引擎与燃料继续前进

总而言之,这就是为什么进入外层空间非常困难

如果你感觉这一切看起来非常复杂,不用担心,这基本上就是火箭科学!

来自 Arianespace 与 Airbus Safran Launchers 的赞助让这个视频成为可能

他们将在 2020 年发射 Ariane 6号火箭

你可以在这里了解更多关于这枚火箭的信息

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