人類希望揭開天空的奧秘，拜訪當空的明月，探索閃閃爍爍的星斗。古往今來，這種想法綿延不斷。我國民間傳說的嫦娥奔月和七仙女下凡，正是古代人渴望往來天地間而編織成的美麗故事。但是，直至現代科學的建立，特別是天體力學、數學和計算技術的發展，人類飛向太空的愿望才有了現實的可能。

發射人造地球衛星是星際旅行的第一步。那么怎樣才能使一種物體像月亮一樣成為地球的衛星呢？現代科學證明，這里必須滿足兩個條件：一是該物體應具有一定的速度；二是要有一個向心力。對于環繞地球運行的衛星來說，向心力就是時刻都存在的衛星重量，即地球對它的引力。靠這種向心力的作用，地球力圖將衛星吸回地面。關鍵是衛星必須獲得一定大小的速度，這個速度稱作第一宇宙速度。其含義是這樣的：在不考慮空氣阻力的情況下，在地面將物體以每秒7.9千米的速度沿水平方向拋出去，它就會沿著以地心為圓心的圓形軌道運轉起來。

衛星在地球引力作用下環繞地球運行的規律，符合行星在太陽引力作用下繞太陽公轉的開普勒三定律和牛頓的萬有引力定律。歸納起來有三點。

第一，當衛星速度大于環繞速度時，其運行軌道是一個橢圓，地球位于橢圓的一個焦點上，衛星速度越大，橢圓軌道也就拉得越長、越扁；當衛星速度恰好等于環繞速度時，其運行軌道才是一個圓，地球位于這個圓的圓心；當衛星速度小于第一宇宙速度時，衛星在地球引力作用下將墜落地面。

第二，衛星在橢圓軌道上運行的速度是變化的，在離地球最遠的一點即遠地點時速度最小；反之，在離地球最近的一點即近地點時速度達到最大。這就是說，地球對衛星的引力，隨衛星的高度增加而減小，環繞速度也相應變小。例如，離地36000千米高度處的環繞速度，不再是每秒7.9千米，而只有每秒3千米。衛星離地越高，環繞速度越小，可是發射衛星所需能量并不減少，反而增加。

第三，衛星繞橢圓軌道一周的時間與短軸無關而與半長軸的3／2次方成正比。因為人造地球衛星的質量遠遠小于地球質量，這個數學關系是嚴格成立的。但是，橢圓軌道的半長軸應是衛星離地的最遠距離再加上地球的平均半徑即6371千米。

環繞地球運行的人造衛星如果人造地球衛星的速度不斷加大，會出現什么情況？這時的橢圓軌道也就越來越長、越扁，當速度增大到某一個限度時，衛星終于擺脫地球的引力飛離地球而去，像地球一樣繞太陽運行，成了人造行星。這個使衛星脫離地球而去的速度，稱作第二宇宙速度，其大小是每秒11.2千米。如果衛星要離開太陽系，就必須克服太陽的引力。太陽的質量遠比地球大，需要的脫離速度就更大。為此，除了借助地球繞太陽約每秒30千米的速度外，還要再加一個約每秒16.7千米的速度。這個速度叫做第三宇宙速度。

發射人造地球衛星，除了上面所介紹的理論外，還要考慮其他因素。地球被一層厚厚的空氣包圍著，其厚度大約有1000千米；不過離地越遠，空氣越稀薄，真正濃密的大氣層只有幾十千米。大家知道，空氣會對運動物體產生阻力，物體運動速度越大，阻力也越大。人造衛星脫離火箭以后，在地球的引力場內做橢圓繞地運動，由于大氣阻力，它的速度會變小，其結果是飛行高度逐漸下降；如果高度降低到進入了地球濃密大氣層，和空氣產生的摩擦非常劇烈，會產生幾千攝氏度高溫將衛星燒毀。為避免衛星過早燒毀并使它能在空間長時間運行，就必須把衛星送到離地一定的高度。人造衛星的軌道高度，根據工作需要通常在數百千米到數萬千米之間。

要把人造衛星送上那么高的高度并達到環繞速度，不是一件易事。運載衛星的火箭速度是最關鍵的問題。所以發展威力強大的多級運載火箭，是發射人造地球衛星和其他人造天體的首要條件。

知識點

開普勒三定律

開普勒三定律，又稱行星運動定律，是指行星在宇宙空間繞太陽公轉所遵循的基本定律。由于是德國天文學家開普勒根據丹麥天文學家第谷·布拉赫等人的觀測資料和星表，通過他本人的觀測和分析后，于1609～1619年先后歸納提出的，故稱開普勒三定律。

開普勒三定律給予亞里士多德派與托勒密派在天文學與物理學上極大的挑戰。他主張地球是不斷地移動的；行星軌道不是圓形的，而是橢圓形的；行星公轉的速度不等恒。這些論點，大大地動搖了當時的天文學與物理學。經過了幾乎一世紀的研究，物理學家終于能夠用物理理論解釋其中的道理。牛頓利用他的第二定律和萬有引力定律，在數學上嚴格地證明開普勒三定律，也讓人們了解其中的物理意義。