衛星是如何進入軌道的?怎麼能在軌道上呆那麼久?

2020-11-23 騰訊網

每天有一千多顆人造衛星圍繞地球運轉，這些衛星在許多領域都發揮了重要作用，包括全球數字通信、天氣預報、無線電和電視信號的傳輸、軍事行動以及其他對我們生活方式和文明產生重大影響的各種關鍵領域。

GOES-8：一顆退役的美國氣象衛星。（圖片來源:NOAA太空收藏/維基百科）

然而，當你在看洋基隊的現場比賽或打電話給遠在千裡之外的朋友時，你有沒有想過這一切是如何實現的?一顆人造衛星是如何被送入環繞地球的軌道，並在那裡停留數年甚至數十年的呢?

人造衛星是如何發射的?

每一顆人造衛星都有一個明確的用途。有些衛星是為了觀察某一地區的各種地理情況，有些衛星是作為間諜衛星使用的，還有更多的衛星是由私人組織發射的，目的是向全世界廣播通信信號。不論衛星的類型和用途如何，每顆衛星都必須進入一個特定的軌道，即進入環繞地球的軌道。

圍繞地球的軌道類型(基於軌道高度分類)

取決於各自的高度從地球表面,地球周圍有四個主要類型的軌道,即低地球軌道(國際空間站所在的軌道),中地球軌道(GPS衛星所在的軌道)、地球靜止軌道和高地球軌道 (只包含少量的衛星,美國宇航局的星際邊界探測器)。

不同地球軌道的高度(圖片來源:Rrakanishu / wikimedia)

到目前為止，大多數功能強大的人造衛星在低軌道運行，而其他一些人造衛星則在地球靜止軌道和中軌道運行。

衛星需要有很高的水平速度才能進入軌道

一顆人造衛星幾乎沒有足夠的加速能力來穿過厚厚的大氣層，獨自到達太空。為了幫助它實現這一目標，它被安裝在一個運載火箭上——火箭在最終分離並落回地球之前可以給衛星加速。

火箭發射過程在空間的軌跡

根據一個有趣的物理現象，艾薩克·牛頓爵士第一次提出假設，火箭不是沿著直線上升，而是沿著彎曲的軌道進入軌道。

牛頓炮彈

假設你有一門大炮，並想從中發射一顆炮彈。為了儘可能遠地把球發射出去，顯然需要站在高處發射，這樣球的路徑上就不會有任何障礙物。大炮發射的威力越大，也就是說當炮彈的水平速度越大時，它在落地前運動得就越遠。

如果繼續增加炮彈的水平速度，當它速度達到足夠快時（水平速度達到每秒7300米），它將不會在落到地面上，而是繼續沿著固定的圓形軌道環繞著我們的星球運動。下面的動畫將幫助你更好地想像這一點:

發射人造衛星的原理也完全相同。人造衛星是垂直發射的，所以它能以最快的速度穿過大氣層最厚的部分。然而一旦衛星到達預定高度，火箭的大部分推進力就會被用來水平加速，使其進入穩定的繞地軌道。

這就是為什麼發射的衛星遵循拋物線軌跡，而不是直線上升。

注意火箭的路徑是如何逐漸彎曲的(圖片來源:pixabay)

由於地球對低軌道衛星的引力最大，所以低軌道衛星比中軌道或靜止軌道上的衛星受到的引力更大。正因為如此，低軌道衛星的軌道速度比高軌道上的要快得多，即它們有更高的軌道速度。

國際空間站在低地球軌道上運行，以大約每秒8公裡的驚人速度環繞地球。要想知道它到底有多快，你可以這樣想:如果你從一個足球場的一端發射一顆來福槍子彈，國際空間站會在子彈射出10碼（約9.14米）之前穿過足球場!(圖片來源:維基百科)

既然我們已經了解了衛星是如何進入軌道的，讓我們來看看它是如何獨自在軌道上停留幾年或幾十年的。

衛星是如何在軌道上長期停留的?

這也可以用牛頓的炮彈思維實驗來解釋。為了讓衛星保持在它的軌道上，它必須以驚人的速度繞著地球轉，這樣它才不會墜落到地面。如此高的速度是通過衛星自身引擎的推力來實現的(在火箭脫離後)。

需要注意的是，這些衛星實際上一直在向地面墜落;只是它們的水平速度如此之高，以至於當它們朝著地面靠近時，地球表面在它們下面發生彎曲。儘管如此，由於空氣動力學阻力，靠近地球的衛星確實比位於更高軌道的衛星更快地失去高度(發生「軌道衰減」)。

國際空間站每天大約有100米的「軌道衰減」，換句話說，每24小時它的高度就會降低100米。(圖片來源:維基共享)

這樣的衛星(包括國際空間站)必須不斷地進行推進以保持它們的軌道高度，避免落回地球。

簡而言之，衛星離地球越近，它向地球靠近的速度就越快。為了確保不會落回地球，衛星必須有一個非常大的水平速度，這基本上意味著必須投入很多資金來充分裝備衛星與所有必要的機械設備和燃料。這就是為什麼他們說研發衛星是個無底洞!

作者: sciabc

FY: Ivan

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