为什么进入轨道难？关键不在高度而在速度

如果航天器再入时用火箭助推器像火星天空起重机那样把速度降到每小时几英里，会怎样？这样是不是就不需要隔热罩了？

航天器有没有可能以某种方式控制再入，避开大气压缩，从而不需要外部昂贵（且相对脆弱）的隔热罩？

能不能把（小型）火箭（带载荷）送到大气层中的高处，在那里只需要一个小火箭就能达到逃逸速度？

这些问题的答案都归结于同一个想法。这个想法我在其他文章里提到过，但今天我想专门来谈谈它：

进入轨道之所以难，不是因为太空很高。

进入轨道之所以难，是因为你必须飞得特别快。

太空大约在100公里之外。那确实很远——我可不想爬梯子上去——但也没那么远。如果你在萨克拉门托、西雅图、堪培拉、加尔各答、海得拉巴、金边、开罗、北京、日本中部、斯里兰卡中部或者波特兰，太空比海还近。

到达太空[1]具体来说，是低地球轨道，国际空间站就在那里，航天飞机也能去到那里。很容易。不是说你能开车上去，但也不是什么巨大的挑战。你可以用一根电线杆大小的小型探空火箭把人送到太空。X-15飞行器就到达过太空[2]X-15有两次达到100公里高度，都是Joe Walker驾驶的。，它只是飞得快，然后向上转向。[3]一定要记住向上转而不是向下转，否则你会很难受。

但到达太空很容易。问题在于留在那里。

低地球轨道的重力几乎和地表重力一样强。空间站根本没有摆脱地球引力；它感受到的拉力大约是我们在地表感受到的90%。

为了避免落回大气层，你必须横向飞得非常非常快。

留在轨道上所需的速度大约是每秒8公里。[4]如果你在低地球轨道的较高区域，这个速度会稍微低一点。火箭的能量只有一小部分用于升出大气层；绝大部分都用于获得轨道（横向）速度。

这就引出了进入轨道的核心问题：达到轨道速度比达到轨道高度需要多得多的燃料。把飞船加速到8公里/秒需要大量助推火箭。达到轨道速度已经够难了；在达到轨道速度的同时还携带足够的燃料来减速回来，那将完全不切实际。[5]这种指数增长是火箭学的核心问题：要把速度提高1公里/秒，所需的燃料会让你的重量乘以约1.4。要进入轨道，你需要把速度提高到8公里/秒，这意味着你需要大量燃料：$ 1.4\times1.4\times1.4\times1.4\times1.4\times1.4\times1.4\times1.4\approx 15$ 倍于飞船的原始重量。

用火箭减速也有同样的问题：速度每降低1公里/秒，你的起始质量就要乘以同样的1.4倍。如果你想一直减速到零——然后轻轻落入大气层——燃料需求又会让你的重量乘以15。

这些离谱的燃料需求，就是为什么每个进入大气层的航天器都用隔热罩而不是火箭来减速——猛撞空气是最实用的减速方式。（回答Brian的问题，好奇号火星车也不例外；虽然它在接近地表时用小型火箭悬停，但它首先用空气制动来卸掉大部分速度。）

我认为人们对这些问题有很多困惑，原因是当宇航员在轨道上时，他们看起来并没有移动得那么快；他们看起来像是在一颗蓝色弹珠上方缓慢漂移。

但8公里/秒是快得惊人的。当你在日落前后看天空时，有时能看到国际空间站经过……然后90分钟后，又看到它经过一次。[6]有一些不错的应用和在线工具可以帮你发现空间站，以及其他有趣的卫星。我最喜欢的是ISS Detector，但如果你用Google搜索，可以找到很多其他的。在那90分钟里，它绕了整个地球一圈。

国际空间站移动得如此之快，如果你从足球场的一端[7]哪种足球场都行。射出一颗步枪子弹，国际空间站能在子弹飞行10码之前穿过球场的长度。[8]这种打法在澳式橄榄球中是合法的。

让我们想象一下，如果你以8公里/秒的速度在地球表面竞走，会是什么样子。

为了更好地感受你旅行的节奏，让我们用歌曲的节拍来标记时间的流逝。[9]用歌曲节拍来帮助衡量时间流逝也是一种用于心肺复苏训练的技巧，其中使用了“Stayin' Alive”这首歌。假设你开始播放The Proclaimers 1988年的歌曲《I'm Gonna Be (500 Miles)》。那首歌大约是每分钟131.9拍，所以想象一下，歌曲每打一拍，你就向前移动超过两英里。

在唱完副歌第一句的时间里，你可以从自由女神像一直走到布朗克斯：

穿过伦敦和法国之间的英吉利海峡大约需要副歌的两句（歌曲的16拍）。

这首歌的长度导致了一个奇怪的巧合。《I'm Gonna Be》从开始到结束的间隔是3分30秒，[10]根据官方Youtube视频的时间。而国际空间站以7.66公里/秒的速度移动。

这意味着，如果国际空间站上的宇航员听《I'm Gonna Be》，从歌曲第一拍到最后的歌词……

……他们将恰好旅行大约1,000英里。