Kosmiset nopeudet ( ensimmäinen v 1 , toinen v 2 , kolmas v 3 ja neljäs v 4 [1] ) ovat avaruusobjektien tunnusomaisia kriittisiä nopeuksia taivaankappaleiden ja niiden järjestelmien gravitaatiokentissä . Kosmisia nopeuksia käytetään luonnehtimaan avaruusaluksen liiketyyppiä taivaankappaleiden vaikutusalueella: Auringon , Maan ja Kuun , muiden planeettojen ja niiden luonnollisten satelliittien sekä asteroidien ja komeettojen vaikutusalueella .
Määritelmän mukaan avaruusnopeus on pienin alkunopeus, joka on annettava esineelle (esimerkiksi avaruusalukselle ) taivaankappaleen pinnalla ilman ilmakehää , jotta:
Avaruuden nopeudet voidaan laskea mille tahansa etäisyydelle Maan keskustasta. Astronautiikka käyttää kuitenkin usein arvoja, jotka on laskettu erityisesti maapallon pallomaisen homogeenisen mallin pinnalle, jonka säde on 6371 km.
Ympyrämäisen (ensimmäisen kosmisen) nopeuden neliö merkkiin asti on yhtä suuri kuin Newtonin potentiaali Φ taivaankappaleen pinnalla (valittaessa nollapotentiaali äärettömässä):
missä M on taivaankappaleen massa, R on sen säde, G on gravitaatiovakio .
Jos avaruusaluksen tai muun kohteen nopeus kiertoradalle laukaisuhetkellä ylittää ympyrän nopeuden, on sen kiertorata ellipsi , jonka fokus on painopisteessä.
Ensimmäisen ja toisen kosmisen nopeuden välillä ei-relativistisessa tapauksessa on yksinkertainen suhde:
Pakonopeuden neliö (toinen kosminen nopeus) on yhtä suuri kuin kaksi kertaa Newtonin potentiaali kehon pinnalla, otettuna päinvastaisella merkillä:
Toinen kosminen nopeus (parabolinen nopeus, pakonopeus) määritetään yleensä olettaen, että muita taivaankappaleita ei ole. Esimerkiksi Kuun pakonopeus on 2,4 km/s huolimatta siitä, että todellisuudessa kehon siirtämiseksi äärettömyyteen Kuun pinnalta on välttämätöntä voittaa Maan vetovoima, Aurinko ja galaksi.
Taivaankappale | Massa (suhteessa maan massaan) [2] | v 1 , km/s [3] | v 2 , km/s [4] |
---|---|---|---|
Enceladus | 1,8 × 10 −5 [5] | 0,169 | 0,239 [6] |
Ceres | 1,57 × 10 −4 [7] | 0,37 | 0,52 [6] |
Kuu | 0,0123 | 1,678 | 2.4 |
Merkurius | 0,0553 | 3.005 | 4.3 |
Venus | 0,815 | 7.325 | 10.4 |
Maapallo | yksi | 7.91 | 11.2 |
Mars | 0,107 | 3.546 | 5.0 |
Jupiter | 317,8 | 42,58 | 59.5 |
Saturnus | 95.2 | 25.535 | 35.5 |
Uranus | 14.54 | 15.121 | 21.3 |
Neptunus | 17.1 | 16,666 | 23.5 |
Aurinko | 332 940 | 437.047 | 618,1 [6] |
Valkoinen kääpiö Sirius B | 338 933 | 4 800 | 6 800 [6] |
Neutronitähti PSR J0348+0432 | OK. 670 000 | 143000 ± 10000 [8] | ~ 200 000 [8] [6] |
Avaruusalus, jonka alkunopeus ei ole pienempi kuin kolmas kosminen nopeus, pystyy voittamaan Auringon vetovoiman ja poistumaan ikuisesti aurinkokunnasta . On huomattava, että avaruusaluksen, jonka moottori on jatkuvasti käynnissä, ei tarvitse kehittää tällaista nopeutta miehitetyn tähtienvälisen lennon suorittamiseksi muiden tähtien planeettajärjestelmiin.
Neljäs kosminen nopeus on kehon pienin tarvittava nopeus, joka mahdollistaa galaksin vetovoiman voittamiseksi tietyssä pisteessä. Neljättä avaruusnopeutta käytetään melko harvoin. Yksikään keinotekoinen esine ei ole vielä kehittänyt tällaista nopeutta.