為什麼人造衛星的軌道一般總是橢圓形的?

2021-01-09 冷知識大學問

踢向上空的足球,射往高空的炮彈,為什麼不能一直飛向高空離開地球?原來地球周圍的物體都受到地球引力的作用,跑不出它的引力範圍。

人造衛星為什麼能環繞地球運轉,而很久不落下來?因為人造衛星發射出去以後,以特別大的速度圍繞地球運轉,產生一個離心力抵消了地球對它們的引為一一向心力的作用。

什麼樣的速度,才能使人造衛星克服地球的引力,而繞地球作勻速圓周運動呢?根據科學的計算,每秒鐘跑7.9公裡,並且以水平方向拋出去,就能使人造衛星環繞地球運轉。

這個速度叫環繞速度,也叫第一宇宙速度。如果小於這個速度,它就會被地球引力拉回來。如果以每秒11.2公裡的速度飛上天,就可以克服地球的引力,成為圍繞太陽運行的人造行星,或者飛向太陽系的其它星球上去。

每秒11.2公裡的速度,是物體能夠脫離地球的速度,所以叫脫離速度,也叫第二宇宙速度。如果地球上的物體要飛離太陽系,到其它恆星世界去,那麼它的發射速度至少要達到每秒鐘16.7公裡。這個速度叫第三宇宙速度。

物體以每秒7.9公裡的速度,以水平方向拋出去,就能夠環繞地球運行了,這叫環繞速度(即第一宇宙速度)。但是還沒有掙脫地球的引力範圍,不能飛離地球。

如果我們繼續增加物體的速度,那麼物體雖然還不能掙脫地球的引力作用,但是運行軌道就不是圓形,而是被拉成較扁的橢圓了。

速度越快,橢圓軌道就更扁更長。由於發射人造衛星的速度一般總比環繞速度要大(在每秒8~1.2公裡之間),因此衛星飛到地球的另一邊,總要遠一些,軌道就變成橢圓形的了,當然,最大限度不能超過每秒11.2公裡(也就是脫離速度,即第二宇宙速度),否則就會擺脫地球的引力而飛出去,象地球一樣圍繞太陽運行,成為人造行星了。

必須「按照實際情況決定工作方針」,人造衛星的軌道是要根據發射的目的來選擇的。有的是比較接近圓形的軌道,有的是橢圓形的軌道。

例如,為了軍事目的而發射的衛星和通信衛星,在衛星上裝上照相機或電視,不能飛得太遠,也不能使近點和遠點相差太大,所以往往選擇高度為300~400公裡的比較接近圓形的軌道。

如果是為了科學研究(研究地球不同高度上磁場的強度、大氣壓力、溫度、密度…)為了使探測範圍更大些,那麼就要求選擇扁的軌道。我國第一顆人造衛星就裝了許多科學儀器,進行科學研究,它的近地點是439公裡,遠地點是2384公裡,所以是一個扁的橢圓軌道。

我國1971年3月3日成功地發射的科學實驗人造地球衛星,是一顆進行多種科學研究的衛星,它的近地點是266公裡,遠地點是1826公裡。我國發射的兩顆人造衛星的軌道都是比較扁的。

衛星的速度不同,就會出現不同程度的橢圓規;道如果速度達到每秒11.2公裡,就會脫離地球引力範圍,成為人造行星。

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