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火箭必须达到第一宇宙速度才可以出大气层吗？慢慢飞出不去吗？
优质回答：
第一宇宙速度，是物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度。
牛顿说在高山上架一门大炮，水平发射炮弹，如果速度足够大，炮弹就会不停地绕地球转动而不掉下来。说的就是第一宇宙速度，大家注意，炮弹离开炮口就不再提供能量。
如果能不断的给物体提供能量克服重力，物体的速度无需达到第一宇宙速度，就可以离地球而去，甚至有人说，乌龟、蜗牛也能爬出去。不光能爬出大气层，还能逃离地球，跑出太阳系。所以，火箭只要带足燃料，通过燃料燃烧释放的能量克服重力，无需太大的速度，就可悠哉悠哉的飞出大气层。
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火箭必须达到第一宇宙速度才可以出大气层吗？慢慢飞出不去吗？
所谓的宇宙第一速度，其实是指当某个物体达到了这个速度之后，就可以不再需要额外的动力，仅凭惯性就能够围着地球转。为什么会这样呢？因为地球是圆的，如果一个物体的速度能够追上地平线下降的幅度，那这个物体就不会被地球的引力“扯”下来（如下图所示）。
换句话来说就是，从理论上来讲，一个物体只要一直拥有额外的动力，就不必非要达到第一宇宙速度才能飞出地球，哪怕是以每秒1米的速度一直向上飞，同样也能飞出地球的大气层。
但问题的关键是，一个从地球表面一直向上飞的物体，每时每刻都必须要克服地球的引力（否则就会掉下去），这肯定是需要能量的，对于火箭来说，这就意味着燃料的消耗。
显而易见的是，火箭的速度越慢，它飞出地球所用的时间就越长，相应的其用于克服地球引力的燃料消耗就越大。因此在发射火箭的时候，正确的做法就应该是让其尽快地将其加速，这样就可以缩短火箭飞出地球所用的时间，从而达到节约燃料的目的。
可能有人会说了，这才多大点事儿啊，咱多带点燃料不就行了吗？看上去这种方法似乎是可行的，但这会面临着另一个问题：燃料也是有重量的，你燃料带得越多，火箭自身的重量就越重，这就意味着更多的燃料消耗。关于这一点，我们可以参考一个简单的公式，即 Vm = Vr x ln（M1/M2）。
（齐奥尔科夫斯基）
这就是著名的“齐奥尔科夫斯基公式”，其中Vm代表火箭能够达到的最高速度，Vr代表燃料在燃烧后离开火箭发动机喷管时的速度，M1和M2分别代表火箭的初始总质量（含航天器）以及燃料耗尽时的最终质量，“ln”则代表自然对数函数（以常数e为底数的对数）。
注意，自然对数函数的增长是很缓慢的（如下图所示），因此燃料数量的增长并不能有效地提高火箭的速度。
由于一个物体的速度至少要达到第一宇宙速度才不会掉下来，因此在实际运用中，这个公式中的Vm也必须不小于这个值，再加上现有的燃料所能提供的速度是已知的，所以科学家们就可以在综合各种因素后计算出M1和M2的比值的极限。
从理论上来讲，这个值的极限为12.5，而事实上我们目前只能让这个值最多做到20，比如说人类迄今为止最大的火箭——土星5号（Saturn V），它重达3000吨，却只有大约150吨的运载能力。
需要指出的是，这还是“常规操作”（通过尽快地让火箭加速从而达到节约燃料的目的）下的情况，而假如要从地球表面慢慢地飞出去，就必须还要额外携带海量的用以克服地球引力的燃料，这就会导致火箭自身的重量巨幅增加，甚至根本就无法起飞。因此可以说，以人类现在的航天实力，这根本就是一件不可能做到的事情。
总而言之，这背后的原因就是我们所使用的化石燃料的效率实在太低了，正因为如此才有人戏称，在航天领域我们人类文明只是处于非常原始的“石器时代”。就目前的情况来看，或许只有当人类真正掌握可控核聚变技术之后，我们才可以慢慢地飞出地球。
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这个问题问的非常有意思也非常没有道理，因为第一宇宙速度和飞出大气层并没有直接的关联。将第一宇宙速度和大气层之间画上等号反而很容易让人产生混淆和误导。
第一个问题：什么是第一宇宙速度？
第一宇宙速度也叫环绕速度，是航天器沿地球表面作圆周运动时必须具备的发射速度，第一宇宙速度的概念最早源自于牛顿的一个设想：
300多年前，牛顿曾思考过这样一个问题，他发现人掷出去的石头总会在飞出一段距离后落回地面，于是牛顿萌生了一个“大炮”的设想。他设想在一座高山上架设一门大炮，如果忽略空气阻力的话，以不同的速度将炮弹射出，射出速度越大，炮弹落地点就离山脚就越远。假如这门大炮威力足够得大，能以7.9千米|秒的速度将炮弹射出，则这发炮弹将永远不会落回地面，而是围绕地球做圆周运动。后来人们根据牛顿的这个设想，发明了人造地球卫星，7.9千米|秒的速度也被称为第一宇宙速度。
牛顿大炮是一个忽略空气阻力情况下的理想实验，在现实生活中，由于航天器在距离地表数百公里以上的高空运行，地球对航天器引力比在地面时要略小，故其速度也略小于7.9千米|秒。这里需要着重指出的是，航天器即使达到7.9千米|秒的速度也并未摆脱地球引力的影响，只是因为地球是圆的，航天器每飞出7.9千米下落的距离正好被地球的曲率抵消，从而给人造成了人造地球卫星摆脱地球引力影响的假象。
第二个问题：火箭必须达到第一宇宙速度才可以出大气层吗？慢慢飞出不去吗？
当然不是，事实上所有的火箭都是慢慢加速飞出大气层的，火箭飞出大气层与是否达到第一宇宙速度并没有直接的关系。以现代航天为例，所有的火箭在点火阶段只能达到每秒几米的速度，甚至更低。在飞行途中，火箭逐步的加速，直到冲出大气层，达到预定的轨道、预定的速度，释放航天器。
这里需要特别指出的是，火箭将航天器送出大气层的目的，并不单是为了让航天器冲出大气层，摆脱空气阻力的影响，更重要的是要通过远离地心，通过赋予航天器更高的速度来降低、抵消、甚至摆脱地球引力的影响。只不过是因为地球的大气也是靠地球的引力吸附的，火箭在远离地心的同时也在不断冲出大气层。
大气层是一个非常复杂的概念，地球的大气层并不像地表的水面、冰面或山脉一样有一个明显的界限，它随着高度的上升，逐渐稀薄。在通常意义上人们一般认为地球大气层的厚度只有约100千米，但其实在距离地面超过1000千米的地方仍然存在一定密度的空气粒子。很多人造地球卫星、包括国际空间站的高度都不超过400千米，所以从严格意义上来说并没有脱离地球的大气层。只是在这个高度，空气已经太过的稀薄，对航天器产生的阻力微乎其微，已经基本可以忽略。地球的大气层虽然给火箭制造了很大的阻力，但在另一方面来说，由于大气层的存在也为火箭提供了反作用力加速的介质。火箭在大气层中喷射加速，要远比在真空中喷射加速更加高效。
在现实中，如果发射的是人造地球卫星，就必须在火箭到达预定轨道的时候，将火箭加速至第一宇宙速度然后释放航天器；如果发射的是火星探测器，需要让探测器摆脱地球引力，就必须在火箭到达预定轨道的时候，将火箭加速至第二宇宙速度然后释放航天器；如果发射的探测器要飞出太阳系，就必须在火箭到达预定轨道的时候，将火箭加速至第三宇宙速度然后释放航天器。当然这只是航天发射中基本的理论模型，在现实中还要综合其他方面的因素。
第三个问题：既然慢慢飞行也能飞出地球，飞出太阳系，人类航天又为什么要研究第一宇宙速度、第二宇宙速度和第三宇宙速度……
这是一个老话题了，也是一个让很多人迷惑的问题。首先强调一点，一枚火箭或者一个航天器不管用多么低的速度，哪怕每秒钟只能飞行1米，只要能够不断向上飞，都能飞出地球甚至飞出太阳系。这与第一宇宙速度、第二宇宙速度和第三宇宙速度并不矛盾。
这是因为所有的宇宙速度都是一次性加速，也就是说只要将航天器加速到一定的速度，航天器后续就可以依靠惯性飞行，中途不必再次进行加速，这就是强调宇宙速度的原因所在。反之，如果不能将航天器一次性加速至一定的速度，让航天器依靠惯性飞行，就必须一直不停的加速，一直的消耗燃料，这在现实中是不可能实现的。
以我国刚刚发射天问一号为例，因为天问一号探测的是火星，所以只要用火箭将其加速至约11.2千米|秒的第二宇宙速度，天问一号就可以脱离火箭，只依靠惯性摆脱地球引力的束缚，用约7个月的时间飞到火星。但如果火箭不能将天问一号加速至第二宇宙速度，只能加速至11.2米|秒，天问一号其实也能飞到火星。但代价是必须给天问一号配一个近乎无限燃料的推进器，即便是不考虑火星的自身的运动，也需要这个推进器持续不停的推进70000个月，这显然是不可能的。
在《三体》中，刘慈欣先生将这种航天方式称之为“低速”航天。低速航天尽管在理论上确实可行，但在现实中因为无法解决燃料的储备、喷射效率和冗余问题，根本无法实施。
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