宇宙速度（Cosmic velocity），天體力學術語，是指從地球表面向宇宙空間發射人造衛星、行星際和恒星際及以上飛行器所需的最低速度。
第一宇宙速度是人造衛星圍繞地球表面作圓周運動時的速度，所以也被稱之為環繞速度，值為7.9×103米/秒；第二宇宙速度是航天器脫離地球引力場所需的最低速度，值為11.2×103米/秒；第三宇宙速度是航天器脫離太陽引力場所需的最低速度，值為16.7×103米/秒。第一、二、三宇宙速度也被統稱為三大宇宙速度，而第四、五、六宇宙速度暫時只能夠估算。
1687年7月，艾薩克·牛頓完成了作品《自然哲學的數學原理》。該書以牛頓三大運動定律和萬有引力為基礎，建立了力學理論體系，解決了行星運動、落體運動等各種各樣的問題，牛頓進而提出了環繞速度和對應的值。隨著科學技術的發展，1957年10月4日夜晚，蘇聯成功發射了世界上第一顆人造衛星衛星一號。1959年1月2日，蘇聯發射月球一號衛星，這是人類第一次以第二宇宙速度使衛星掠過月球上空，成為太陽系中的第一顆人造小行星。而美國在1972年發射的先驅者10號，1973年發射的先驅者11號，以及1977年發射的旅行者1號探測器、旅行者二號衛星，都達到了第三宇宙速度。
定義
宇宙速度（Cosmic velocity）是從地球表面向宇宙空間發射人造衛星、行星際和恒星際及以上飛行器所需的最低速度。
簡史
理論建立
德國天文學家J.開普勒仔細分析和計算了丹麥天文學家第谷·布拉赫對行星特別是火星的長時間的觀測資料，總結出三個定律，即開普勒定律。前兩條定律是在1609年出版的《新天文學》一書中提出的。第三條定律是在1619年出版的約翰尼斯·開普勒的另一著作《宇宙諧和論》一書中提出的。
1679年，羅伯特·胡克意識到引力的平方反比定律，但沒法證明，便寫信給牛頓，探聽牛頓在引力問題上的虛實。牛頓作了回答。牛頓首先實現了在現象的動態研究上的突破，創制了表達因果性物理定律的必要工具——微積分，把反映物理量瞬時變化的運動規律賦予微分方程的形式并找出求解方法；其次把伽利略·伽利萊的實驗結果，慣性原理和落體定律抽象外推，上升成為理論，提出牛頓三大定律，把表達時間、空間、質量和力四個獨立概念的運動方程建立起來；最后，依據約翰尼斯·開普勒觀察總結的行星運動三大定律推出萬有引力，把地球吸引重物推廣到地球吸引月球、太陽吸引行星、進而推廣到一切天體運動。1687年7月，艾薩克·牛頓完成了作品《自然哲學的數學原理》。該書以牛頓三大運動定律和萬有引力定律為基礎，建立了完美的力學理論體系，說明了當時人們所能理解的一切力學現象，解決了行星運動、落體運動、振子運動、微粒運動、聲音和波、潮漲潮落以及地球的扁圓形狀等各種各樣的問題。
發射衛星
在1928年，蘇聯就建立了“圣彼得堡空氣動力實驗室”，這個實驗室就是專門研究火箭的機構。第二次世界大戰中，1942年，德國人沃納·馮·布勞恩設計出了最具現代火箭雛形的V-2火箭，其用途是從德國發射V-2火箭，飛越英吉利海峽轟炸英國。1957年10月4日夜晚蘇聯發射了世界上第一顆人造衛星衛星一號，和美國緊隨其后于1958年2月1日發射衛星的運載火箭，都和V-2火箭有著分不開的關系。1959年1月2日，蘇聯發射月球一號衛星，就是人類第一次以第二宇宙速度使衛星掠過月球上空五六千千米的宇宙空間，永遠脫離地球，成為太陽系中的第一顆人造小行星。
1972年3月和1973年4月美國先后發射的“先驅者10號”和“先驅者11號”，探測了木星和木星衛星及土星和土星衛星?！跋闰屨?0號”于1973年12月飛近木星，行程10×109km，向地球發回300幅木星和木星衛星的照片，并利用木星引力場加速飛向土星，又借助土星引力場加速，于1986年10月越過冥王星的平均軌道成為第1個飛出太陽系的航天器。美國還在1977年8月20日從佛羅里達州向太空發射“航行者2號”飛船。依靠各個行星的引力，這艘飛船于1979年7月9日飛過木星，1981年8月25日飛過土星，1986年1月24日飛過天王星，并傳回許多寶貴的圖片和資料。于1989年8月24日午夜時分按期抵達距太陽系海王星4800km處，然后接近海王星的衛星。并向地球首次發回有關海王星的圖片資料。這樣，“航行者2號”經過12年飛行和72×109km行程，完成其主要使命后，仍將繼續星際飛行，其壽命可達上百萬年。“航行者2號”自重約670kg，由6.5萬個零件組成，攜帶一具直徑為3.65m的圓形天線和攝像機、紫外分光儀和紅外分光儀等設備。目前，地面控制中心與這艘飛船的聯系，每往返一次需8個小時。
分類
概述
人們通常把航天器達到環繞地球、脫離地球和飛出太陽系所需要的最小發射速度，分別稱為第一宇宙速度、第二宇宙速度（和第三宇宙速度。人類已經比較精確地計算出其數值，但第四、五、六宇宙速度暫時只能夠估算。
第一宇宙速度
人造衛星繞地球運動的圓形軌道半徑等于地球半徑時衛星所具有的速度。又稱環繞速度。牛頓曾經計算水平拋出的石頭永不落回地面的速度約8千米/秒。現代公認的第一宇宙速度值約等于7.9×103米/秒，這個數值可以由牛頓運動定律和萬有引力計算得出。
第二宇宙速度
當航天器超過第一宇宙速度達到一定值時，它就會脫離地球的引力場而成為圍繞太陽運行的人造行星，這個速度就叫做第二宇宙速度，亦稱脫離速度。所謂擺脫地球束縛，就是幾乎不受地球引力影響，這與處于離地球無窮遠點的位置得情況等價。這里要注意，由于月球還未超出地球引力的范圍，故從地面發射探月航天器，不需要達到第二宇宙速度v2，實際上其初始速度不小于10.848×103米/秒即可。
第三宇宙速度
從地球表面發射航天器，飛出太陽系相對地心，到浩瀚的銀河系中漫游所需要的最小發射速度，就叫做第三宇宙速度。按照力學理論可以計算出第三宇宙速度V3=16.7×103米/秒。需要注意的是，這是選擇航天器入軌速度與地球公轉速度切線方向一致時計算出的V3值；如果方向不一致，所需速度就要大于16.7×103米/秒?？梢哉f，航天器的速度是掙脫地球乃至太陽引力的唯一要素，只有工質發動機（通常為多級火箭）才能突破該宇宙速度。
其他
第四宇宙速度，宇航學中的速度概念，即從地球表面發射探測太陽的飛行器，使之飛達太陽所需的發射速度，約為31.8×103米/秒。若要飛出本星系群，需達到第五宇宙速度?？茖W家通過對本星系群直徑的研究測算，脫離本星系群來到室女座超星系團需要達到1500-2250×103米/秒。值得注意的是，要達到第五宇宙速度，首先必須突破第四宇宙速度。即使帕克太陽探測器曾達到200×103米/秒的速度，但這其實是疊加了太陽系繞銀河系公轉的速度（約220×103米/秒），其本體初始速度尚不足17×103米/秒。至于第六宇宙速度，本質上是趨近光速的概念——光速約為299792×103米/秒。這要求航天器在發射時就達到該量級速度，才能從本超星系團飛向更大的拉尼亞凱亞超星系團，并逐步接近可觀測宇宙邊緣。
推導過程
第一宇宙速度
人造衛星圍繞地球表面作圓周運動時的速度。地球表面的赤道半徑為6378千米，重力加速度為9.8米/秒。地心對衛星的引力使衛星產生向心加速度，按萬有引力定律和牛頓第二運動定律（見萬有引力和牛頓運動定律），有=（1）。式中為第一宇宙速度；和分別為衛星和地球的質量；為引力恒量。又因在地面上引力等于重力，即=（2）。故從(1)和(2)得到第一宇宙速度的值為：==7.9×103米/秒，當衛星速度超過第一宇宙速度時，軌道變為橢圓形；速度愈大，橢率也就愈大。
第二宇宙速度
航天器脫離地球引力場所需的最低速度。距地球中心為處的航天器具有引力勢能=，按照機械能守恒定律，則有：=，式中為航天器脫離火箭以后的總機械能。當=0時，動能恰好克服勢能，飛行器可能脫離地球引力場，這時=0，從而解得：=（3）。飛行器離地球愈遠，即愈大，則愈小。到無窮遠處=0，即動能為零。設飛行器剛脫離火箭時的，此時飛行器速度為第二宇宙速度，代入（3）式，得：==，由式（2）知=，代入上式后，得到第二宇宙速度的值為：==11.2×103米/秒。當=0時，軌道成為拋物線，航天器沿拋物線脫離地球引力場。從上式可以看到=，即:=:1。
第三宇宙速度
航天器脫離太陽引力場所需要的最低速度。已知脫離地球的速度與圍繞地球的速度之比為:1，即可知脫離太陽的速度與圍繞太陽的速度之比也為:1。地球圍繞太陽的速度為：=29.77×103米/秒30×103米/秒，故地球脫離太陽所需的速度為：==42.1×103米/秒。事實上，航天器在脫離太陽引力場的同時還要脫離地球引力場（見圖），其初速的動能必須克服地球和太陽的勢力所作的功和。因此，航天器脫離太陽系的動能為：=+=+（4），式中為航天器脫離太陽系所需的速度。然而航天器是從地球上發射的，地球本身的速度是，故=-=12.33×103米/秒，代入式（4）得到第三宇宙速度，即==16.7×103米/秒。
應用
利用宇宙速度的原理可以應用于航天器。航天器的出現使人類的活動范圍從地球大氣層擴大到廣闊無垠的宇宙空間，引起了人類認識自然和改造自然能力的飛躍。航天器在地球大氣層以外運行，擺脫了大氣的阻礙，可以接收到更多來自宇宙天體的電磁輻射信息，開辟了全波段天文觀測；航天器從近地空間飛行擴展到行星際空間飛行，實現了對空間環境的直接探測、對月球和太陽系其他天體的逼近觀測，著陸地外天體開展直接抽樣觀測甚至送回地球研究；環繞地球運行的航天器從幾百千米到數萬千米的距離觀測地球，大范圍和高效地收集有關地球陸地、海洋、大氣和軌道的各種各樣的輻射信息，直接服務于資源考察、氣象觀測、大地測量學、環境與災害監測以及軍事偵察等方面；人造衛星作為空間信息中繼站，為各類用戶提供覆蓋全球的電話通信、電視廣播、數據通信等信息服務業務；作為空間基準點，各類用戶通過接收多顆衛星廣播的其位置和時間信息，可以解算所在的地理位置，獲得全球范圍的導航服務；利用空間高真空、強輻射和失重等特殊環境，可以在航天器上進行各種重要的科學實驗研究，可以進行航天器建造維護、物資補給再生、新原理和新方法等空間技術試驗；利用載人航天器可以實地研究空間輻射環境和失重環境等對于人體的影響，提升人類適應長期飛行和探索太空的能力；將來利用載人航天器，可以將人類不僅送到月球，甚至其他行星，開展考察探索，擴展人類生存空間。
研究意義
對于宇宙速度的研究，可以促進人類航天事業的發展。航天活動借助航天器來實現。包括環繞地球的運行、飛往月球或各大行星的航行（包括環繞天體運行，從近旁飛過或在其上著陸）、行星際空間的航行和飛出太陽系的航行等。航天的基本條件是航天器達到足夠的速度，克服、擺脫地球引力或太陽引力。宇宙速度是航天所需的特征速度。在相當長的時間內，航天基本上是在太陽系以內的航行活動。航天是20世紀科學技術進步和社會生產發展的結果，其作用遠遠超出科學技術領域，對政治、經濟、軍事以及人類社會生活都產生了持續性的影響。
萬有引力定律介紹
萬有引力（law of universal gravitation）是物體間相互作用的一條定律。任何物體之間都有相互吸引力，這個力的大小與各個物體的質量成正比例，而與它們之間的距離的平方成反比。如果用、表示兩個物體的質量，表示它們間的距離，則物體間相互吸引力為：。式6.6725910-11千克-1·?3秒-2稱為萬有引力常數。I.牛頓利用萬有引力定律不僅說明了行星運動規律，而且還指出木星、土星的衛星圍繞行星也有同樣的運動規律。他認為月球除了受到地球的引力外，還受到太陽的引力，從而解釋了月球運動中早已發現的二均差、出差等。另外，他還解釋了彗星的運動軌道和地球上的潮汐現象。宇宙速度正是根據萬有引力定律和牛頓第二運動定律推導而來。1859年，法國天文學家U.-J.-J.奧本·勒維耶發現水星近日點進動速率的數值與用萬有引力定律算得的數值有偏差。以后又有人陸續發現月球運動長期加速、星光在太陽附近彎曲等用萬有引力無法解釋的現象。20世紀以來，許多學者（如A.阿爾伯特·愛因斯坦等）又提出了各種新的引力理論。
參考資料 >
宇宙速度.中國大百科全書.2025-04-29
萬有引力定律.中國大百科全書.2025-04-29
55年前的今天，中國“放衛星”！長文回顧一段傳奇.百家號.2025-04-29
開普勒定律.中國大百科全書.2025-04-29
【科普】三大宇宙速度.微信公眾平臺.2025-04-29
The 6 major speeds of the universe, human beings have only reached the third, and when they reach the sixth, they can fly to the edge of the universe.inf.news.2025-04-30
航天器.中國大百科全書.2025-04-29
航天.中國大百科全書.2025-04-29